二维手性磁体中原子尺度自旋拓扑结构之间的相互作用

最小尺度上的磁性漩涡

随着我们的设备不断微缩且计算需求激增，工程师们正在寻找以更低能耗存储和传输信息的新方法。一种有前景的候选者是磁性斯格明子——磁体中的微小漩涡图案，可作为鲁棒且可移动的比特。本文研究了几乎与晶体原子尺度相当的斯格明子之间如何相互作用，以及它们能否在未来超高密度存储和类脑计算器件中仍然可靠地被操控和配对。

这些微小漩涡是什么以及为何重要

斯格明子是绕转排列的原子磁矩，表现得像颗粒：它们可以被创建、移动和消除。由于其扭曲的结构受“拓扑”保护，它们不易被破坏，使其成为沿磁轨道传输数据或作为可调节权重的人工突触的有吸引力的载体。迄今为止，大多数研究集中在数百纳米尺度的斯格明子上。但最近的实验揭示出只有几纳米宽——仅由少数原子组成的斯格明子，提出了一个迫切的问题：当斯格明子缩小到几乎原子尺度时，先前描述的相互吸引与排斥的法则是否仍然适用？

将斯格明子推到一起或拉开

为了解答这个问题，作者对二维磁层进行了详细的数值模拟，在该层中斯格明子嵌入在一个其余自旋对齐的均匀背景中。通过调节几个关键旋钮——磁场的强度与倾斜，以及晶体的内建方向偏好——他们可以使斯格明子近乎圆形或明显扭曲。对较大斯格明子来说，早先的工作显示出一种熟悉的模式：当两个斯格明子非常接近时，它们强烈相斥，像硬球相撞，但在某些距离下它们实际上会相互吸引并形成束缚对。新的模拟表明，这种短程排斥与较长程吸引的混合效应一直延续到原子尺度的斯格明子。

形状与隐含域如何产生吸引力

研究识别出两种主要的吸引机制。第一种是，通过倾斜磁场或施加适度的晶体各向异性，使每个斯格明子偏离完美圆形。这样的畸变在斯格明子处于某个恰当分离距离时稍微降低系统能量，从而产生一个浅的“甜点”位置，使它们倾向于相互靠近。随着斯格明子变小，它们变得更硬，因此以其半径为单位测得的排斥核心会扩展，而吸引的凹陷则向外移动。第二种更显著的情况是，强烈的晶体各向异性导致两个斯格明子之间的区域翻转为一条窄窄的反向磁化条带——一个由域壁界定的微小磁畴。形成该域壁会消耗能量，但两者共享这道域壁会带来收益，产生一个深的吸引势阱，其深度和最优距离即便在斯格明子变得原子级小的时候也几乎不变。

当晶格开始占主导

在如此微小的尺度下，材料的底层原子格子本身开始变得重要。模拟显示，单个斯格明子的能量会细微地依赖于其中心是恰好落在晶格点上还是落在晶格点之间，从而产生一个周期性的“晶格势”。在强晶体各向异性的情况下，随着斯格明子缩小，这一势能迅速增长，直至与或超过斯格明子之间的吸引力相当。在这种情形下，尽管斯格明子之间的相互作用强烈地倾向于形成紧密束缚，但晶格会把每个斯格明子钉在优选位置，阻止它们滑动到理想的分离距离。结果是斯格明子可能被固定在比吸引曲线最低点更大的间距上，或者在极端情况下，一旦移除这种钉扎约束它们会变得不稳定。

对未来磁性器件的意义

综观这些结果表明，原子尺度的斯格明子仍能形成紧密的束缚对，其结合能可与基本磁性相互作用相媲美，可能在室温下稳定存在。产生较大斯格明子吸引的相同物理机制在最小尺度下仍然有效，并可通过外加磁场和晶体各向异性连续调节。与此同时，晶格势在小尺寸下日益显著，会倾向于使斯格明子固定并锁定它们的相对位置。对于下一代存储和类脑硬件的设计者来说，这种平衡既是挑战也是机遇：吸引势阱可用于控制承载信息的斯格明子如何聚集，而晶格钉扎可能有助于将这些模式固化，防止不希望的运动。

引用: Kameda, M., Kobayashi, K. & Kawaguchi, Y. Interactions between atomic-scale skyrmions in 2D chiral magnets. Sci Rep 16, 12941 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41762-2

关键词: 磁性斯格明子, 自旋电子学, 纳米磁存储, 拓扑磁学, 类脑硬件