諾獎獲得者Albert Fert發現高速儲存的石墨烯利器

近日，美國勞倫斯伯克利國家實驗室和法國諾貝爾物理學獎獲得者Albert Fert合作完成了一個科研項目，將單層的石墨烯和薄層磁性材料(鈷和鎳)結合在一起，使它能在非常小的體積下快速高效地存儲傳輸數據。這為下一代計算發展奠定了高速儲存技術基礎。

因為對多層材料的磁性效應研究做出突出貢獻，Albert Fert在2007年獲得諾貝爾物理學獎。也正因為他，讀取硬盤驅動器數據的新技術才得以問世，之后這種技術得到開拓發展，逐漸引出一個新的研究領域——“自旋電子學”。通過研究如何控制利用 “自旋”電子的基本屬性，科學家們試圖開發出一種用于計算機的新型低耗能、高速存儲運算技術。

那究竟什么是電子自旋呢？伯克利國家實驗室的科學家Andreas Schmid解釋說：“在量子物理學的概念里，電子就像是羅盤的指針，會指北或指南，這種特性就是自旋。”而石墨烯和磁性層之間又是如何相互影響的呢？研究人員發現，材料的電子和磁性會在層相遇的地方形成微小的漩渦模式，這為控制這些漩渦方向以及在超薄材料中利用這些“自旋軌道”效應提供了可能。

通常情況下，希望利用這一效應的研究人員會將重金屬或貴金屬(如鉑和鉭)與磁性材料結合在一起。但石墨烯的出現成為了一種具有革命意義的潛在替代品，因為它又薄又輕，具有非常高的導電性，并且還可作易腐蝕磁性材料的保護層。這完全滿足科學家們對“自旋電子學”的研究初衷，能夠實現在非常小的體積下快速高效地存儲傳輸數據，并且不會產生熱量積聚，這個特征能解決當前小型計算設備最常見的高溫難題。

Andreas Schmid說：“你可以想象未來我們不再需要電腦移動硬盤，我們僅僅用幾個電信號就可在其他固態設備中存儲信息。在這種情形下，計算功耗會降低，而且數據存儲的易失性問題也可解決，畢竟‘硬盤’不再移動。”

目前他們的最新研究成果已經表明，實現這一應用的曙光就在眼前，下一步該做的是控制一種納米磁性特征——斯格明子(skyrmions，專業解釋見文末)，它可以使材料的結構表現出特定的手性特征，使它們可以順時針或逆時針方向旋轉。

在傳統的層狀材料中，電子在材料中的傳播模式就像風吹一樣，一波連著一波，如果想改變磁結構，就會像強風吹動一堆葉子一般。但這種石墨烯層狀材料的卻相反，由于“自旋霍爾效應”(專業解釋見文末)，新的石墨烯層狀材料中的強電子自旋效應可以驅動相反手性的不同方向的磁性結構，這解釋了電流如何影響自旋，反之亦然。如果這種手性可以通過一種材料普遍對齊，并以受控方式翻轉，研究人員就可以用它來處理數據。

Schmid補充說：“我們的團隊成員通過計算表明，如果采用不同的磁性材料和石墨烯結合，并構建多層堆疊的結構，那么這種現象和影響會被非常有力地放大。”為了測量多層材料，科學家在伯克利的國家電子顯微鏡中心用上了最高端的儀器——自旋極化低能電子顯微鏡(SPLEEM)。這是世界上僅有的一些專用設備之一，能以標樣為基準映射出樣品的三維磁化輪廓(或矢量)的方向，揭示其“旋轉紋理”，讓科學家獲得不同種類的圖像。同時該研究小組還用這臺儀器的分子束外延功能精確地制備了樣品，并使用其他形式的電子束探測技術研究樣品。

 
     作為共同主要作者的Gong Chen是伯克利國家實驗室的博士后研究員，現在也是加州大學戴維斯分校物理系的項目助理科學家，他表示，為這次合作早在2016年就和法國的科學家召開過一次會議，他們兩個團隊之前都獨立開展了類似的研究，后來終于實現了協同合作。
 
    Chen說：“盡管本次最新實驗中觀察到的結果早在幾十年前就被討論過，但使用像石墨烯這樣原子級薄的材料代替重元素來產生這些效應，不管從哪個角度來說都是一個新概念。薄膜的自旋霍爾效應長期以來一直被科學家們忽視，但事實上這種類型的多層堆疊非常穩定和堅固。”
 
    Schmid也說：“應用斯格明子對于數據處理來說可能是革命性的突破，因為這種結構下信息的存儲密度可以遠高于常規技術所能達到的數值，并且功耗要低得多。我們的研究人員也正努力在絕緣體或半導體上制備石墨烯磁性多層材料，以使其開拓出更多的潛在應用。”
 
    這項工作由美國伯克利國家實驗室與法國巴黎第十一大學的科學家合作完成的，其中包括諾貝爾獎獲得者Albert Fert教授。該團隊在伯克利實驗室的國家電子顯微鏡中心完成了最關鍵的測量工作，他們的研究結果以論文形式發表在《Nature Materials》期刊上。