Science: 如何利用磁荷冰精確操控局部磁荷狀態

在可與鐵磁納米島長相互作用的方形晶格中，人造自旋冰是首個被證實的最佳研究系統。通過設計及觀察，人造冰可用于研究幾何不穩定性。但是由于基本原理和應用研究方向的雙重限制，難以實現不同結構下特定的長程有序狀態。

目前，來自美國阿貢國家實驗室及美國多所研究院校的研究者們成功解決了這個問題，他們設計了一種人造自旋結構，可產生具調諧八種不同結構的長程有序狀態的磁荷冰。同時研制出可精確操控局部磁荷狀態的技術，實現室溫下寫入-讀出-擦除的多功能操作。這種整體可重構，局部可寫的磁荷冰能設計磁單極子缺陷，去除磁子，進而能控制二維材料的性質。

圖文導讀

圖一 設計磁荷冰圖A為典型的人造方形自旋冰，磁性納米島的長度與最近的處于自旋冰末端的磁性島的長度相同。每個磁性島都是伊辛自旋(如黑箭頭所示)。這種自旋結構表現的是最低能量狀態。

圖B是與方形自旋冰相對應的磁荷分布。正(紅)，負(藍)荷的配對通過圖中的黑斑點線表示。

圖C是在去除磁荷聯系后，磁荷的分布。圖D為重新設計正荷和負荷的配對及相互的聯系。

圖E則是在(D)的基礎上設計磁性納米結構。箭頭顯示基態下的自旋結構，而顏色表示的是每個磁島的三個方向(水平、垂直、對角線)的集合。用M和N來表示兩種狀態。

圖F是計算與自旋結構相關的磁性雜散場，磁性島的尺寸在300nm80nm25nm。箭頭指示局部的磁場方向。顏色則表示在磁場中平面外的組分(紅色—平面外，藍色—平面內)。紅點和藍點則分別表示正磁荷和負磁荷。0為真空磁導率，H為磁場強度。

圖G紅色高亮區顯示8種可能的自旋和電荷介導的結構在22區域的磁性雜散場，并分成三組電荷型。點線表示的是包含一對磁荷(藍色—負荷，紅色—正荷)的磁島的方向。在樣品表面100nm的平面上進行雜散場計算以比較磁性模擬結果和在磁力顯微鏡下的實驗結果。

圖二 構建磁荷冰圖A為鎳鐵導磁合金(Ni80Fe20)磁性島(300nm長，80nm寬，25nm厚)的掃描電子顯微鏡圖。

圖B到I則為與圖一中G圖所有結構相對應的不同有序態下樣品的磁力顯微鏡圖。圖B和C為雙重簡并基態I，(B，C圖分別為I1，I2 )。圖D和E為雙重簡并激發態II，(D，E圖分別為II1，II2)。圖F到I則為三重簡并激發態III，(F，G，H，I圖分別為III1，III2，III3，III4)。磁力顯微鏡掃描的樣品厚度為100nm。

圖三 具可再寫性的磁荷冰圖A為實驗裝置的模擬圖：具雙軸矢量磁鐵的磁力顯微鏡。雙軸螺管電磁鐵能在樣品表面的任意方向添加磁場。垂直方向上經磁化的磁力顯微鏡探針能在尖端的平面組分產生雜散磁場(如綠色箭頭所示)。

圖B為單個磁島的磁化曲線，來說明寫入、擦除和讀出功能。Mx表示磁島的磁化強度。

圖C到G則為樣品同一區域內磁荷冰的磁力顯微鏡圖。C圖表示起始狀態為I1的樣品。D圖表示在C圖樣品中央寫入狀態為III3型的方形區域。E圖則是在D的基礎上，對中間的III3型區域進行部分擦除，回到I1狀態。F則是在E中被擦除的區域重新寫入一個環形區域的II2型狀態。G圖則顯示的是在I型基態下寫入“ICE”字樣的III4型狀態。

文獻鏈接：Rewritable artificial magnetic(點擊連接即可下載)
（Science??20 May 2016，DOI: 10.1126/science.aad8037）

本文由材料人電子電工材料學習小組大黑天供稿，材料牛編輯整理。

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