研究人員成功拍攝到3D X射線圖像的斯基爾米昂（Skyrmion）

一種難以描述的納米尺度物體——磁斯基爾米昂（magnetic skyrmion）可能在未來帶來全新的微電子設備，這些設備能夠實現更大的數據存儲，同時消耗更少的能源。

但如果希望在計算設備（包括量子計算機）中可靠使用斯基爾米昂，研究人員需要對其有更深入的理解。美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的資深研究員彼得·費舍爾（Peter Fischer）領導了一個項目，製作斯基爾米昂的3D X射線圖像，這些圖像能夠表徵或測量整個物體內部自旋的方向。“我們的結果為自旋電子學設備的納米級計量提供了基礎，”費舍爾說。這項工作最近發表在《科學進展》（Science Advances）期刊上。

磁斯基爾米昂可以被認為是旋轉的磁性圓圈，這樣解釋道的是費舍爾團隊中的學生研究員大衛·拉夫特雷（David Raftrey），他是這項研究的首席作者。在中心，磁自旋朝上指向，而隨著從中心向外移動，磁性扭轉並向下拉。更重要的是，斯基爾米昂是穩定的小型物體，運動迅速且不易展開，這是材料科學家所稱的“拓撲特性”。

這些自旋方向是斯基爾米昂吸引力的一部分，因為它們可能像電子在當前設備中一樣用於攜帶和存儲信息。“然而，依賴電子的電荷，正如今天那樣，會伴隨著不可避免的能量損失。使用自旋，損失將明顯降低，”費舍爾表示。

但對斯基爾米昂的理論知識一直是基於對其作為二維物體的描述。在電子學和矽晶片的現實世界中——無論多薄——斯基爾米昂必須作為三維物體來處理。為了將斯基爾米昂投入工作，或許有朝一日合成定制的斯基爾米昂，研究人員必須能夠檢查並理解整個三維物體的自旋特徵。

“如果你從上方觀察一個斯基爾米昂的磁漩渦並開始切除層，你可能會認為每一層都是相同的。但實際上並非如此，”拉夫特雷說。“我們想，怎麼才能理解這一點？我們怎麼證明這一點？”

拉夫特雷取了一層薄的磁性材料，這是由Western Digital的同事合成的，並使用分子鑄造廠的納米製造設施製作了納米圓盤。為了獲取三維斷層圖像，他前往瑞士，使用了一種名為磁X射線層析成像的創新成像技術，在瑞士光源的顯微鏡光束線上進行觀察。

“使用X射線層析成像，你基本上可以從這些許多圖像和數據中重新配置和重建[斯基爾米昂]，”拉夫特雷說。這是一個需要數月的過程，最終使我們對斯基爾米昂自旋結構有了更好的理解。

對斯基爾米昂的三維自旋紋理的全面理解“開啟了探索和定制三維拓撲自旋電子設備的機會，這些設備具有在二維中無法實現的增強功能，”費舍爾說。

分子鑄造廠是伯克利實驗室的一個美國能源部科學辦公室的用戶設施。

這項工作得到了美國能源部科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。