高阶交换对斯格明子与反斯格明子寿命的影响

作为未来数据位的微小磁性涡旋

想象将信息存储在电荷之外，而是以仅有数十亿分之一米尺度的微小磁性涡旋形式存在。这些被称为斯格明子和反斯格明子的结构，可能使计算机存储更小、更高效。但要实现这一点，这些涡旋必须在器件内抵御热扰动与随机碰撞，存留足够长的时间。本文探讨了一种微妙的磁性效应，它可显著延长这些涡旋的寿命，甚至在一些曾被认为不适合出现此类奇异态的材料中保持其稳定性。

超薄金属中的磁性涡旋

斯格明子和反斯格明子是纳米尺度的自旋模式，其中原子的微小磁矩扭曲形成旋涡状纹理。它们备受关注，因为可以用极小的电流移动，并能作为单个信息位。传统上，科学家认为与重元素和镜像对称破缺相关的一种特殊相互作用——Dzyaloshinskii–Moriya 相互作用（DMI）——对于稳定这些纹理是必需的。近来，另一种成分进入视野：高阶交换相互作用，不仅成对地，而是三自旋或四自旋等多自旋共同作用。这类多自旋耦合在真实材料中自然存在，并可能有利于形成复杂的磁性图案。

额外自旋耦合如何影响稳定性

作者构建了一个详细的原子格点自旋计算模型，研究两个被广泛研究的超薄薄膜体系：铂/铁（应为钯/铁）铺在铱与罗铜（铑）上的情况。模型包括常见的成对耦合、Dzyaloshinskii–Moriya 相互作用以及所有相关的将四个自旋联结在一起的四阶交换项。利用称为谐变过渡态理论的技术，他们描绘出孤立斯格明子或反斯格明子坍缩为均匀磁化态的最可能路径。在每条路径上计算出必须越过的能垒高度，以及能量面在初态和发生坍缩的关键“鞍点”附近的曲率。

能量屏障、熵与寿命

磁性涡旋的寿命由Arrhenius 型规律支配：能垒越高，热运动越难将系统推动越过它，发生坍缩的频率越低。但还有另一个常被忽视的因素：熵。它取决于初态和鞍点周围能量景观的刚度或柔软程度。当研究者打开高阶交换项时，他们发现了双重效应。首先，某种特定的四自旋相互作用在基于铱的薄膜中将斯格明子和反斯格明子的坍缩能垒大致提高了100毫电子伏特，显著增强了它们对热衰变的抵抗力。其次，该相互作用改变了鞍点处的曲率，使某些集体自旋变形变得更柔软。这会增大寿命公式中的前指数因子（pre-exponential factor），在一定程度上抵消了更大能垒带来的稳定化效果。将这两种因素都考虑进去后，净结果仍是寿命的显著增强——在未含这些耦合时在30开尔文以下约能存留一小时的斯格明子，加入后可在50开尔文或更高温度下存活。

微调单一参数的影响

一个引人注目的结果是，寿命对某一特定四自旋、四位点项的强度极为敏感。在真实过渡金属薄膜预期范围内改变该参数会使能垒几乎线性变化，但可使与熵相关的前因子跨越多个数量级波动。对于斯格明子，仅将该相互作用增大约半毫电子伏特，就可以将40开尔文下的预测寿命从不足一小时延长到接近三周。反斯格明子呈现类似趋势，但由于其能垒普遍较低，寿命通常更短。研究还表明，在没有Dzyaloshinskii–Moriya 相互作用的模型中，仅凭相同的高阶项也能支持具有实验相关寿命的亚稳斯格明子和反斯格明子，尽管它们的尺寸和对外场的依赖性与常规情况不同。

这对未来器件有何意义

对于考虑实际应用的读者，结论是：纳米尺度磁性比特的命运不仅取决于一个著名的相互作用，还取决于一个由多自旋耦合和熵效应交织而成的网络。通过精心工程化界面和材料组合以增强特定的四自旋相互作用，应可设计出寿命适合于存储、逻辑或类脑器件的斯格明子与反斯格明子——既足够长以可靠存储信息，又不过长以至难以写入或擦除。更令人感兴趣的是，这些发现为在缺乏常规稳定相互作用的广泛层状磁体中实现斯格明子技术开辟了路径，提示在二维材料和其他天然具备复杂自旋相互作用的体系中存在新的机会。

引用: Schrautzer, H., Goerzen, M.A., Beyer, B. et al. Impact of higher-order exchange on the lifetime of skyrmions and antiskyrmions. npj Comput Mater 12, 123 (2026). https://doi.org/10.1038/s41524-026-02034-9

关键词: 磁性斯格明子, 高阶交换, 自旋电子学, 拓扑磁学, 超薄薄膜