Science: 如何利用磁荷冰精确操控局部磁荷状态

在可与铁磁纳米岛长相互作用的方形晶格中，人造自旋冰是首个被证实的最佳研究系统。通过设计及观察，人造冰可用于研究几何不稳定性。但是由于基本原理和应用研究方向的双重限制，难以实现不同结构下特定的长程有序状态。

目前，来自美国阿贡国家实验室及美国多所研究院校的研究者们成功解决了这个问题，他们设计了一种人造自旋结构，可产生具调谐八种不同结构的长程有序状态的磁荷冰。同时研制出可精确操控局部磁荷状态的技术，实现室温下写入-读出-擦除的多功能操作。这种整体可重构，局部可写的磁荷冰能设计磁单极子缺陷，去除磁子，进而能控制二维材料的性质。

图文导读

图一 设计磁荷冰图A为典型的人造方形自旋冰，磁性纳米岛的长度与最近的处于自旋冰末端的磁性岛的长度相同。每个磁性岛都是伊辛自旋(如黑箭头所示)。这种自旋结构表现的是最低能量状态。

图B是与方形自旋冰相对应的磁荷分布。正(红)，负(蓝)荷的配对通过图中的黑斑点线表示。

图C是在去除磁荷联系后，磁荷的分布。图D为重新设计正荷和负荷的配对及相互的联系。

图E则是在(D)的基础上设计磁性纳米结构。箭头显示基态下的自旋结构，而颜色表示的是每个磁岛的三个方向(水平、垂直、对角线)的集合。用M和N来表示两种状态。

图F是计算与自旋结构相关的磁性杂散场，磁性岛的尺寸在300nm80nm25nm。箭头指示局部的磁场方向。颜色则表示在磁场中平面外的组分(红色—平面外，蓝色—平面内)。红点和蓝点则分别表示正磁荷和负磁荷。0为真空磁导率，H为磁场强度。

图G红色高亮区显示8种可能的自旋和电荷介导的结构在22区域的磁性杂散场，并分成三组电荷型。点线表示的是包含一对磁荷(蓝色—负荷，红色—正荷)的磁岛的方向。在样品表面100nm的平面上进行杂散场计算以比较磁性模拟结果和在磁力显微镜下的实验结果。

图二 构建磁荷冰图A为镍铁导磁合金(Ni80Fe20)磁性岛(300nm长，80nm宽，25nm厚)的扫描电子显微镜图。

图B到I则为与图一中G图所有结构相对应的不同有序态下样品的磁力显微镜图。图B和C为双重简并基态I，(B，C图分别为I1，I2 )。图D和E为双重简并激发态II，(D，E图分别为II1，II2)。图F到I则为三重简并激发态III，(F，G，H，I图分别为III1，III2，III3，III4)。磁力显微镜扫描的样品厚度为100nm。

图三 具可再写性的磁荷冰图A为实验装置的模拟图：具双轴矢量磁铁的磁力显微镜。双轴螺管电磁铁能在样品表面的任意方向添加磁场。垂直方向上经磁化的磁力显微镜探针能在尖端的平面组分产生杂散磁场(如绿色箭头所示)。

图B为单个磁岛的磁化曲线，来说明写入、擦除和读出功能。Mx表示磁岛的磁化强度。

图C到G则为样品同一区域内磁荷冰的磁力显微镜图。C图表示起始状态为I1的样品。D图表示在C图样品中央写入状态为III3型的方形区域。E图则是在D的基础上，对中间的III3型区域进行部分擦除，回到I1状态。F则是在E中被擦除的区域重新写入一个环形区域的II2型状态。G图则显示的是在I型基态下写入“ICE”字样的III4型状态。

文献链接：Rewritable artificial magnetic(点击连接即可下载)
（Science  20 May 2016，DOI: 10.1126/science.aad8037）

本文由材料人电子电工材料学习小组大黑天供稿，材料牛编辑整理。

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