九州大学研究人员近日在《APL Materials》发表成果称，通过对材料界面进行精细设计，有望拓展纳米级磁自旋结构的应用边界，并为突破传统电子学在能效与性能方面的限制提供材料路径。
聚焦磁性斯格明子：纳米级“旋涡”磁结构
研究对象为磁性斯格明子（skyrmion）——一种呈旋涡状的纳米级磁结构，具有类似粒子的行为特征。研究团队指出，斯格明子具备纳米级尺寸、可在GHz范围内实现高速操作、并可在较低电流下移动等特点，因此被视为信息器件中潜在的数据载体。
研究人员表示，从理论层面看，基于斯格明子的器件有望在大规模人工智能计算、物联网（IoT）及其他大数据应用中展现出超越现有电子技术的潜力。
“三难困境”：尺寸、速度与功耗的权衡
不过，斯格明子研究长期面临所谓“三难困境”，即尺寸、速度与功耗之间存在相互制约：缩小斯格明子可提升存储密度，但其运动速度可能下降；若要提高速度，往往需要更强电流，从而削弱低功耗优势。研究团队将目标指向在不显著增加能耗的前提下，实现小尺寸斯格明子的更快移动。
该研究由九州大学信息科学与电气工程学院湯浅浩美教授与博士生张林领衔，联合助理教授黑川祐一郎，以及工学院助理教授富田优人、村上康一教授共同开展。团队探讨了在铂/钴/镍（Pt/Co/Ni）叠层结构中插入极薄中间层，是否能够改善上述权衡关系。
湯浅浩美表示，稀土元素钆（Gd）因其与钴（Co）自旋方向相反等特性而受到关注，相关体系可表现出垂直磁各向异性；团队认为这些特性可能有助于增强自旋轨道力矩。
在Pt/Co界面引入0.3纳米钆层并进行对比观测
在实验中，研究人员在铂层与钴层之间加入厚度约0.3纳米、相当于数个原子尺度的钆层，构建Pt/Gd/Co/Ni多层结构，并与未引入钆层的结构进行对比。团队使用先进透射电子显微镜对两种材料中的磁性斯格明子进行直接观测，并比较实现高速运动所需的自旋轨道力矩（SOT）。
研究人员介绍，自旋轨道力矩由对重金属层施加电流产生，可用于驱动斯格明子运动；自旋轨道力矩效率越高，在相同电流条件下斯格明子的运动速度越快。
关键结果：改变斯格明子类型平衡并保持稳定性
研究团队报告称，引入钆中间层后，不同类型磁性斯格明子之间的平衡发生变化，同时其稳定性得以保持。研究人员据此认为，通过界面工程进行材料定制，有望推动基于斯格明子的相关技术发展。
湯浅浩美表示，研究结果不仅展示了这些纳米级磁结构的稳定性，也显示出在较高自旋轨道力矩条件下实现“低电流、快速操作”的可能性，从而为拓展斯格明子在新型信息器件中的应用空间提供支持。
面向下一代低功耗信息器件的材料路径
研究人员指出，人工智能与物联网带来的数据增长对能效提出更高要求。该研究提出的界面设计思路，被视为降低下一代器件功耗的潜在材料方向之一。湯浅浩美称，相关研发仍处于起步阶段，团队将继续推进先进材料开发，以提升磁性斯格明子在信息设备中的应用可行性。
