诺奖得主“炼造”：高速储存的石墨烯利器

近日美国能源部下属的劳伦斯伯克利国家实验室和法国诺贝尔物理学奖获得者Albert Fert合作完成了一个科研项目。他们将单层的石墨烯和薄层磁性材料（钴和镍）结合在一起，改变了材料电子结构，产生独特的自旋性能，使它能在非常小的体积下快速高效地存储传输数据。这为下一代计算发展奠定了高速储存技术基础。

因为对多层材料的磁性效应研究做出突出贡献，Albert Fert在2007年获得诺贝尔物理学奖。也正因为他，读取硬盘驱动器数据的新技术才得以问世，之后这种技术得到开拓发展，逐渐引出一个新的研究领域——“自旋电子学”。通过研究如何控制利用 “自旋”电子的基本属性，科学家们试图开发出一种用于计算机的新型低耗能、高速存储运算技术。

那究竟什么是电子自旋呢？伯克利国家实验室的科学家Andreas Schmid解释说：“在量子物理学的概念里，电子就像是罗盘的指针，会指北或指南，这种特性就是自旋。”

而石墨烯和磁性层之间又是如何相互影响的呢？研究人员发现，材料的电子和磁性会在层相遇的地方形成微小的漩涡模式，这为控制这些漩涡方向以及在超薄材料中利用这些“自旋轨道”效应提供了可能。

通常情况下，希望利用这一效应的研究人员会将重金属或贵金属（如铂和钽）与磁性材料结合在一起。但石墨烯的出现成为了一种具有革命意义的潜在替代品，因为它又薄又轻，具有非常高的导电性，并且还可作易腐蚀磁性材料的保护层。这完全满足科学家们对“自旋电子学”的研究初衷，能够实现在非常小的体积下快速高效地存储传输数据，并且不会产生热量积聚，这个特征能解决当前小型计算设备最常见的高温难题。

Andreas Schmid说：“你可以想象未来我们不再需要电脑移动硬盘，我们仅仅用几个电信号就可在其他固态设备中存储信息。在这种情形下，计算功耗会降低，而且数据存储的易失性问题也可解决，毕竟‘硬盘’不再移动。”

目前他们的最新研究成果已经表明，实现这一应用的曙光就在眼前，下一步该做的是控制一种纳米磁性特征——斯格明子（skyrmions，专业解释见文末），它可以使材料的结构表现出特定的手性特征，使它们可以顺时针或逆时针方向旋转。

在传统的层状材料中，电子在材料中的传播模式就像风吹一样，一波连着一波，如果想改变磁结构，就会像强风吹动一堆叶子一般。但这种石墨烯层状材料的却相反，由于“自旋霍尔效应”（专业解释见文末），新的石墨烯层状材料中的强电子自旋效应可以驱动相反手性的不同方向的磁性结构，这解释了电流如何影响自旋，反之亦然。如果这种手性可以通过一种材料普遍对齐，并以受控方式翻转，研究人员就可以用它来处理数据。

Schmid补充说：“我们的团队成员通过计算表明，如果采用不同的磁性材料和石墨烯结合，并构建多层堆叠的结构，那么这种现象和影响会被非常有力地放大。”

为了测量多层材料，科学家在伯克利的国家电子显微镜中心用上了最高端的仪器——自旋极化低能电子显微镜（SPLEEM）。这是世界上仅有的一些专用设备之一，能以标样为基准映射出样品的三维磁化轮廓（或矢量）的方向，揭示其“旋转纹理”，让科学家获得不同种类的图像。同时该研究小组还用这台仪器的分子束外延功能精确地制备了样品，并使用其他形式的电子束探测技术研究样品。

作为共同主要作者的Gong Chen是伯克利国家实验室的博士后研究员，现在也是加州大学戴维斯分校物理系的项目助理科学家，他表示，为这次合作早在2016年就和法国的科学家召开过一次会议，他们两个团队之前都独立开展了类似的研究，后来终于实现了协同合作。

Chen说：“尽管本次最新实验中观察到的结果早在几十年前就被讨论过，但使用像石墨烯这样原子级薄的材料代替重元素来产生这些效应，不管从哪个角度来说都是一个新概念。薄膜的自旋霍尔效应长期以来一直被科学家们忽视，但事实上这种类型的多层堆叠非常稳定和坚固。”

Schmid也说：“应用斯格明子对于数据处理来说可能是革命性的突破，因为这种结构下信息的存储密度可以远高于常规技术所能达到的数值，并且功耗要低得多。我们的研究人员也正努力在绝缘体或半导体上制备石墨烯磁性多层材料，以使其开拓出更多的潜在应用。”

这项工作由美国伯克利国家实验室与法国巴黎第十一大学的科学家合作完成的，其中包括诺贝尔奖获得者Albert Fert教授。该团队在伯克利实验室的国家电子显微镜中心完成了最关键的测量工作，他们的研究结果以论文形式发表在《Nature Materials》期刊上。