科学家首次拍到“磁涡旋”熔化：未来电脑或许能像人脑一样省电

一种被称为“斯格明子”的微小磁性结构，可能有助于为新一代计算机铺平道路。这类计算机处理信息的方式更像人脑，同时耗电量却低得多。尽管大多数人从未听说过斯格明子，但这些微观磁涡旋最终可能在计算机存储和处理数据的方式中发挥重要作用。

发表在《自然·纳米技术》期刊上的一项研究，为斯格明子的行为方式以及科学家如何控制它们提供了新的认识。这些发现可能帮助研究人员开发更小、更高效的计算系统，并推动新兴量子技术的发展。

这项研究的大部分工作是在德国美因茨的约翰内斯·古腾堡大学物理研究所完成的，挪威科技大学（NTNU）的一位教授也参与了研究。

“斯格明子是一种微小的磁涡旋，能够以一种全新的方式存储信息，”挪威科技大学量子自旋电子学中心（QuSpin）负责人阿斯勒·苏德伯解释说。

传统技术在处理不断增长的数据量时需要越来越多的空间和能源，而斯格明子可能提供一种高效得多的替代方案。

“当前技术需要不断增加空间和能源来处理数据，而斯格明子则可能使构建更小、更节能的数据存储系统成为可能，”苏德伯解释说。

微小磁涡旋可能促成类脑计算机

斯格明子的潜在应用远不止传统数据存储。它们对自旋电子学也很重要，该领域探索如何在电子器件中利用电子的磁性；它们对涉及拓扑量子效应的研究同样具有重要意义。

一个尤其有前景的可能性是开发以类似生物大脑方式运行的计算机。

“这些纳米级涡旋可能有助于开发类似生物大脑的计算机，”苏德伯说。

这类系统不必依赖传统的基于晶体管的计算，而是可以利用磁性来处理信息。原则上，这种方法可以大幅降低电力消耗， 使未来计算机以极低能耗执行复杂任务。

然而，要将这种可能性转化为实用技术，科学家需要确切理解斯格明子的行为方式，以及如何可靠地操控它们。

这项最新研究是朝着这一目标迈出的重要一步。

科学家首次拍摄磁性斯格明子晶格“熔化”过程

斯格明子并不总是以孤立磁性结构的形式存在。在某些条件下，它们会自行组织成重复图案，即所谓晶格，类似晶体中原子的有序排列，但尺度要小得多。

科学家可以操控这些排列，而这种能力对于未来在计算设备中使用斯格明子可能至关重要。

在这项新研究中，研究人员实现了此前未曾展示过的成果。他们在实时记录磁性斯格明子晶格熔化过程的同时，还能控制单个斯格明子。

“研究人员首次成功拍摄了磁性斯格明子晶格如何在实时中熔化，同时在拍摄过程中还能直接操控每一个单独的斯格明子。例如，它们的形状和大小都可以‘即时’改变，”苏德伯说。

能够直接观察这一过程，使人们更清楚地了解当斯格明子的有序结构瓦解时它们会如何响应。这也使研究人员能够研究改变单个磁涡旋的大小和形状会如何影响其行为。

迈向节能计算的新一步

理解斯格明子在其晶格解体过程中的行为，可能帮助科学家开发更精确的控制方法。如果这些磁性结构要成为未来计算机系统中的有用组件，这种控制尤为重要。

因此，这些发现不仅提供了一种观察不寻常磁性现象的新方法，还提供了可能帮助研究人员克服开发实用斯格明子技术所面临挑战的信息。

“这些发现让我们对这些类型粒子的行为有了新的认识。因此，这可能对未来开发更节能的计算机技术变得重要，”苏德伯说。

尽管在斯格明子能够用于日常计算设备之前仍需要大量开发工作，但这项研究凸显了它们在改进数据存储、实现新计算架构以及支持量子技术进步方面的潜力。

通过学会实时观察和操控这些微小磁涡旋，科学家正在获得最终可能帮助重塑计算机设计的能力。

“这可能彻底改变我们对计算机的思考方式，”苏德伯总结道。

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