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江城子·芒夏湖山
又逢青碧染荊吳
綴林隅
映菰蘆
不見煙舟、無露亦無珠
芒夏蔥籠天隔水，興澤草、鬱香菰
想來荷蓋護芙蕖
點紅初
動平湖
東岸風情、霞坐一嬌姝
暮色淡空嫣作畫，吟半闋、誦三蘇
如果說現代生活主要依賴於兩類物理之源：一是電，一是光，大概沒有多少人會反對。便是醉心於自旋電子學的聰慧磁學人，也不大會因磁性被排名於後而憤憤不平。與電學相關的科技應用，之所以能如螃蟹一般橫行左右，除了發電、輸電相對便宜直接外，大多數電學效應在能標上遠比自旋效應強悍、易控，也是原因之一。更為重要的是，自然界有易於加工製造的導體和絕緣體材料，給了人類隨意引導電荷流動的便利，也給了人類進行電荷探測、操控、儲存的便利。電荷獨一無二的正負屬性和遮蔽中和 (物理人稱之為示零效應)，讓電的運用比所有其它效應都更強、更好、更精。因此，未來科技，離開“電”，大概難以很好地生存壯大。
目前看來，唯一有可能與“電”競爭、並分得一杯羹的，就是“光”了。光，雖是透過磁性與電性組合成電磁波而生，但依然難以離開電性。光，勝在傳播輸運的穩、準、快，就如雷射。但，光，依然是電的下家！這樣說來，現代文明生活，電乃王範 (King style)，無與爭鋒者！也因此，所有以應用為出口的物質科學效應，最終都須落腳於“可電探測”和“可電操控”上。很顯然，要坐實這一 claim，無需拿卡住國人“脖子”的積體電路與晶片來舉例⸺它們主要依賴電效應，對吧？！
不過，在資料儲存這一偌大領域內，電荷的攻城掠地卻不是那麼成功。磁性或自旋電子學，在這一領域依然佔據主導地位。Ising 是磁學外行，經常對此感到疑惑：自旋這個東西，為何那麼頑強？從古時的指南針，到今天的磁記錄、儲存、探測等，要麼是少年得志、要麼是風韻猶存！除了磁性探測操控可“憑空而行”這一天生優勢外，應該還有其它原因使得其在資訊儲存這一高地上與電學友好共存、爭奇鬥豔。Ising 愚鈍、開竅得晚，隱約以為，資訊的加工處理，需要“儲存”和“輸運”兩個功能。一個資訊載體 (如硬碟或 CPU)，既要能儲存電荷，同時還要能輸運電荷，可不是容易的事情。雖然物理人宣稱鐵電體亦可雙肩挑，但因為一些本文暫且不論的問題，鐵電儲存目前還在成長之路上。磁儲存，依然是資訊儲存的老大和主體，雖然各種半導體電荷儲存處理的方案也若百花齊放。
為什麼當下的磁儲存還具有優勢呢？首先，磁儲存載體 (磁碟、磁性隨機儲存器 MRAM 之磁介質) 基本上是磁性導體或窄帶隙半導體，以滿足用自旋 (磁矩) 記錄資訊、用電荷之流 (透過電子與局域自旋互作用) 來讀寫資訊的需要。即便是所謂的純自旋流，大多亦是電荷輸運的作品。這樣做，磁儲存器中資訊存放與讀寫功能就被自旋和電荷分別實現。目前，還真沒有一個載體能單獨利用電荷實現儲存 / 讀寫於一體、且效果堪比磁儲存。
既然磁儲存目前依然不可替代，則本文的主題就變成了：任何磁儲存器工作的方案，最後都要能做到電探測和電操控！對，電、探測、操控！這，才是接地氣、有煙火的科技 (先扣一回題目^_^)。
事實上，過去許多年，自旋電子學的主體，都在圍繞這一主題開疆破土。磁學和自旋電子學的人們，從最初磁碟中用電流線圈“電磁感應”讀寫，飛躍到 GMR / TMR 磁儲存讀取，再到 STT、SOT、magnon 學等讀寫過程的萬水千山，及至筆者從我國一大批自旋電子學傑出學者那裡聽來的數十種自旋電子學儲存讀寫器件方案，讓讀者和筆者感受到他們為提升磁儲存器效能和降低功耗而嘔心瀝血的脈絡。
圖 1. 江萬軍他們展示的磁 skyrmions 的運動。
磁疇線從左邊經過一個幾何限制的通道，到達右邊成為一個一個的 skyrmion 或 bubble。其中，每個黑色點即一個 skyrmion。這個影片，應該是萬軍老師在米國阿貢時的作品。
From 江萬軍他們多年前的實驗影片。https://www.anl.gov/article/argonne-scientists-announce-first-roomtemperature-magnetic-skyrmion-bubbles。
這一脈絡之其中一個分支，正若濁浪滔天般，流向磁 skyrmion！
作為一個實空間自旋構型的準粒子態，磁 skyrmion 在凝聚態物理、量子材料和自旋電子學三大領域都得到垂青和重視。有關這一物理研究物件，《量子材料》公眾號斷斷續續刊發過一些簡單科普文，如《舞起磁性 Skyrmion》、《磁斯格明子的封地》、《多一維磁斯格明子》，感興趣讀者可點選而前往御覽。簡單梳理一下，即可知曉，這種實空間的準粒子在不同學科領域有不大一樣的涵義和意義：
(1) 在傳統凝聚態物理層面，磁 skyrmion 是一種新的準粒子，且是實空間難得的一種局域拓撲結構 (沿面外方向是一根長度可長可短的“線”，在此不論)。研究這一非平庸拓撲結構的熱力學、結構、動力學、產生與湮滅，是其賦予凝聚態物理的內涵。而此類局域拓撲形態，是超越磁疇壁這種“古老”拓撲缺陷的一類新缺陷，故而成為介觀缺陷物理的一個新課題。
(2) 在量子材料層面，磁 skyrmion 是阻挫磁性的一種低能態，蘊含若干新的量子物理效應，如自旋手性、k 空間貝里相位、拓撲荷、磁阻、反常霍爾效應、自旋波互作用、外場驅動等。每一種效應，都是量子材料的一個小分支，正各自成長、發展、變異。
(3) 在自旋電子學層面，磁 skyrmion 最引人注目之處，在於可替代傳統磁疇壁承載的儲存讀寫功能，為高階自旋電子學器件服務。磁儲存讀寫的微觀過程，傳統意義上是透過鐵磁 (亦或反鐵磁) 疇壁的快速運動來實現。磁疇壁，雖亦是一種拓撲缺陷，但這一缺陷在空間上呈現三維伸展形態 (疇壁本身是二維的，但二維網的曲張運動所劃過的，是三維空間)。其有效質量大、運動遷移率受限、驅動損耗大。因此，透過電荷運動攜帶的自旋矩訊號 (包括 STT、SOT 等) 去驅動疇壁運動，不是一件容易的任務。反過來，磁 skyrmion 在克服運動損耗大和運動慢等問題上，被寄予厚望。原因在於，在物理本質上，一個一維線狀拓撲準粒子，即這裡的磁 skyrmion，其運動的確要絲滑很多、快很多、損耗也小很多 (雖然到目前為止實測資料很少)。更有甚者，將這一 skyrmion 與 S. S. Parkin 博士的賽道 (race – track) 儲存方案組合起來，能使得磁 skyrmion 如宇宙黑洞一般：飛光撲黑 (磁引力之無底洞)。
磁 skyrmion，被這三大領域的物理人賦予諸多期望，催動了人們紛紛湧進這一主題。事實上，國內磁學和自旋電子學的強勢課題組們都紛紛進場、取得佳績。當然，筆者寫讀書筆記，更多筆力是放在梳理物理脈絡和存在的問題，為擁有煙火氣做準備，本篇亦是如此。經過一番囫圇吞棗、臨時抱佛腳，筆者能感覺到這些年大浪淘沙，已將磁 skyrmion 雕琢得精緻奢華，雖然面向應用還存在問題。如下，筆者就開始天馬行空，反正是讀書筆記^_^：
(1) 形態魯棒性。這一特性，最被人稱道，因為 skyrmion 是一個局域的非平庸拓撲結構，應具魯棒性 (robustness)。事實上，從最早的磁場 – 溫度相圖中那一丟丟 skyrmion 相區，到後來透過介面引入類 SOC (spin – orbital coupling) 效應而誘發 skyrmion，再到應變操控、開關 skyrmion，如此等等，我們外行看到的更多是物理人在小心呵護著這些 skyrmion，生怕它們跑了、消失了或變得畸變醜陋了。如此這般，哪裡是孟夫子渲染的“故天將降大任於斯人也，必先苦其心志，勞其筋骨，餓其體膚，空乏其身，行拂亂其所為，所以動心忍性，曾益其所不能”？！讓筆者這個看熱鬧的外行感覺有那麼點“瞎折騰 skyrmion”意思的，當屬目前供職於清華大學的江萬軍老師他們的結果 (圖 1 所示算是一個例子)。他用動態觀測影片顯示，如何像吹氣泡那樣將磁 skyrmion 吹吹吹、吹得樣品內到處都是。然而，他的那些氣泡即便到處隨機行走，但形態依然保持、沒有消失或蛻變，依然還是 skyrmion。另外一個例子，來自華南師範大學侯志鵬博士他們。在那裡，他們看到的 skyrmions，在應對內在和外來干擾時，依然穩坐釣魚臺。但是，實話說，對這些 skyrmions 進行“百般蹂躪和折磨”的實驗結果並不多！您說它們拓撲魯棒，那就請使勁折騰它們，然後給我們讀者看看它們能被畸變到什麼程度而依然初心不改^_^！
(2) 動力學易驅動。物理人在描述磁疇壁和鐵電疇壁運動方面頗為成功，各種動力學規律被如數家珍。這些規律簡單明瞭，物理原因如前所述，在於此類疇壁是一類“有效質量”很大的拓撲缺陷態。在中低磁場、電場驅動下，這些重傢伙的動力學必定以線性或者拓展一些的線性動力學為主。也就是說，有效質量是物理規律簡單與否的試金石之一。反過來，磁 skyrmion 在維度上比疇壁低了一維、有效質量一下子小了很多，其快速、靈活的特性自出必然；它運動所需驅動力小、損耗小的優點，亦是有章可循的，阿門！遺憾的是，到目前為止，在器件層面，還沒有足夠的實驗證實磁 skyrmion 的驅動電流比驅動傳統磁疇壁的電流有大幅度下降。
(3) 運動隨機性。這是“動力學易驅動”這一優點的對立面、或雙刃劍之另一刃。如前文提及，電學器件最大的優勢，在於可透過電流通道去約束電訊號，實現可靠讀寫操控，不存在宏觀隨機性。而磁 skyrmion 作為小質量的準粒子，這輕飄飄的勁頭，易於驅動卻也易於隨機。這，也是為何萬軍老師展現的那些個 skyrmion 泡泡點如醉漢一般搖搖晃晃的原因。如電學一般，構建可靠的約束或者機制，來規範磁 skyrmion 的運動軌跡，就變得非常重要。
(4) 霍爾效應。磁 skyrmion 運動與電荷運動一般，也有類似的霍爾效應。物理人已揭示出，這種效應可能是非平庸拓撲磁結構在電流驅動下產生 Magnus 力所致。筆者不懂其中奧妙，但霧裡看花是可以的。所謂 Magnus 力，可從經典物理概念去表面化類比理解：磁 skyrmion 中的自旋分佈，具有非共線的螺旋結構特徵。當流動的電子透過 skyrmion 軀體時，電子自旋與 skyrmion 中螺旋分佈的自旋互作用，導致電子自旋亦旋轉。這種旋轉，反向對沖 skyrmion 軀體，形成轉動動量，即橫向的 Magnus 力。從可控資訊儲存角度看，這樣的橫向運動是有害的，必須抑制。物理人嘗試了很多方法，其中一個“殺雞用牛刀”的方法是，換成反鐵磁 skyrmion！其中兩個巢狀在一起的亞 skyrmion 之橫向力會對沖相消。相關細節，讀者可參考相關文獻，在此不論。
圖 2. 磁性儲存器的一些基本概念示意。
(A) 一個標準的、依賴於磁性隧道結 (MTJ) 的磁儲存單元結構。其中間的多層四方柱狀結構即 MTJ 單元，上下黃色和紅色條狀結構是讀寫電極。在這個單元中，如果下磁性層 (標有上下白色箭頭，表述磁矩 M 方向) 換成含有磁 skyrmion 的磁介質，即成基於磁 skyrmion 的MTJ。(B) 一個典型的隧道結微加工器件圖。(C) 江萬軍他們採用的多層膜 MTJ 單元之組成與結構。(D) 萬軍他們的 MTJ 實物圖片。(E) 萬軍他們測量得到的 MTJ磁阻特性。
(A) & (B) From https://intermag.mat.ethz.ch/research/spintronics/perpendicular-sot-mtj.html。(C) ~ (D) From https://www.nature.com/articles/s41535-024-00655-1。
無論是針對磁 skyrmion 之優勢與特色，還是針對其存在的問題 / 現象，物理人開展了諸多研究。有意思的是，這些研究多以發現 skyrmion 材料、發現 skyrmion / biskyrmion 產生與湮滅、研發 skyrmion 成像表徵技術 (洛倫茲電子顯微成像、MFM 成像)、表徵磁訊號和霍爾訊號為主導，都是高大上的研究。拓展看去，做成 MTJ 器件原型，直接進行電測量、操控的工作並不多。在 Ising 看來，關於磁 skyrmion，相對接地氣、有煙火氣的工作已迫在眉睫。未來幾年，如果走向實際磁儲存器件的工作、直接電探測與操控的工作，還不能如潮水般湧現，就會給人不夠“未雨綢繆”之感。
需要指出，即便磁 skyrmion 具有一系列新穎的特徵與伴隨物理，但如果沒有可資利用的、排他性的清晰電學特徵，以為電探測和操控提供某種物理“基因”標記，就是一個問題，也就是缺乏煙火氣的原因。立足於磁 skyrmion 的電學探測操控工作不多，一個原因即是如此。也就是說，哪一種可測的電訊號，是磁 skyrmion 所獨有的？
對這一問題的回答，可能是磁 skyrmion 走向磁儲存應用的 core issue。依目前瞭解：霍爾訊號，不唯一！反常霍爾效應，不唯一。非線性霍爾訊號，不知道！
既然一時沒有絕招，那就先回歸起點，去看看在最簡單直接的器件結構中，磁 skyrmion 會展示些什麼！磁儲存最基本的器件結構單元，是 MTJ (magnetic tunneling junction)，如圖 2(A) 所示。具體到一個磁 skyrmion 的 MTJ，其結構大約是將磁性自由層 (free layer, 溝道) 可運動的磁疇壁換成 skyrmion。這樣的 MTJ 結構，是標準器件操作，基於此的磁性儲存器製造也有較為成熟的製造技術，其中一種器件實物示於圖 2(B)。
OK，現在，應該可以對這一最直接簡單的結構進行電探測和操控研究了，對吧？！其實不然，據筆者所知，包含磁 skyrmion 的 MTJ 及其表徵測量較為少見 (實際上 Ising 是想說“還沒有”，只是尚無文獻調研的底氣)。現在，這樣的有無之問，已不再存在，因為清華的江萬軍老師他們已經完成了這一探索。萬軍老師似乎長期致力於磁性 skyrmion 的研究，也長期致力於自旋電子學器件的研製，在微加工技術層面亦有深厚積澱。諸如電子束曝光、微納器件整合操控之類、在 Ising 眼中夢幻難及的東西，對萬軍似乎都是小酒一壺：just do it！
萬軍和他的合作團隊最近在《npj QM》刊登了他們取得的部分進展。這個合作團隊，包括萬軍自己在清華的課題組、供職於阿卜杜拉國王科技大學的知名學者張西祥教授團隊 (King Abdullah University of Science and Technology)、供職於南京大學的王永磊教授團隊，還有來自北京師範大學、國防科技大學、香港中文大學 (周豔教授)、浙江馳拓科技的合作團隊。他們陣容豪華，已於其中浸淫彌久。
圖 3. 江萬軍他們製備和表徵的、基於磁 skyrmion 之 MTJ 結構單元。圖 (A) 和圖 (B) 的內涵描述，可見插入圖中的圖題。
感興趣的讀者可以前往御覽萬軍他們論文之詳細內容。繼續 Ising 讀書筆記的風格，這裡梳理幾條碎片如下，部分結果組合於圖 2 中。
(1) MTJ 原型器件單元之組成如圖 2(C) 所示，其外形檢視如圖 2(D) 所示。其中的 skyrmion 載體單元由 [Pt/Co/Ta]10 多層膜 (簡稱 S-單元) 組成。在面外磁場 H 作用下，器件呈現出顯著的電阻變化，結果如圖 2(E) 所示。磁場 H 驅動的電阻變化具有清晰的回線特徵，因此磁電阻來源於 S-單元中磁疇運動的可能性很大。不過，這裡的磁疇運動，到底是磁場 H 驅動的磁疇壁運動所致？還是其中 skyrmion 運動或產生 / 湮滅導致，並無確定性實驗觀測證據。但是，此類與 skyrmion 有內在聯絡的清晰電學探測，很有價值！
(2) MTJ 器件的電學測量可立足兩種模式：將一個或幾個 skyrmions 錨定於 MTJ 單元中，然後藉助外磁場對其進行電學探測和操控，如圖 2(C) ~ 2(E) 所示即是如此。另一種方式，是利用如圖 3(A) 所示的賽道 race-track。透過在賽道中施加電流脈衝，驅動 skyrmion 進入 MTJ 和離開 MTJ 單元，進而測量 MTJ 單元的電阻變化。萬軍老師他們清晰地展示了賽道處電流誘導形成了 skyrmion，正如圖 3(B) 所示洛倫茲電鏡觀測結果所證實。
(3) 電學探測和操控的結果，顯示於圖 4 中：於賽道中施加一系列電流脈衝。每一個脈衝，都可能觸發賽道中的 skyrmion 運動一段距離，並在某個時刻進入到 MTJ 單元中。這是電操控。而如圖所示的 MTJ 電阻跳躍，即是物理人夢寐以求的電學探測。這裡，稍有遺憾的是，中間圖中所示的 skyrmion 進入和離開那個小圓圈 (MTJ 單元) 的過程乃模擬所得，不是物理人最期待的實驗直接觀測結果。事實上，要在電流脈衝操作的同時直接觀測 skyrmion 的影像，的確是在挑戰物理人的認知！目前來看，除了超高分辨的中子或同步輻射測量介入 (對這一微納器件單元，要中子束和同步輻射束進入，就太難了)，要做到同時測量電阻變化和監控電流脈衝驅動下 skyrmion 運動的影像，其它技術途徑似乎還無能為力。阿門！
圖 4. 江萬軍老師他們基於磁 skyrmion 之 MTJ 單元的電學探測與操控結果。
Ising 以為，萬軍老師他們做到這一步，已是了不起的進展。他們讓磁 skyrmion 總算有了走向應用的人間煙火氣。這一工作表明，磁 skyrmion 攜帶的資訊，是可被一般性的隧道結電學訊號表達和透過電學驅動來操控的。實驗測得的 S-單元層內電阻變化，可能包含了來自其它磁疇疇壁運動的貢獻。也就是說，在通用器件層面，磁 skyrmion 排他性電學特徵的缺失，目前還是一個未能最終解決的課題。但是，測量到的電阻變化特徵，的確具有磁 skyrmion 運動和形態變化的性狀。
另外一個令人糾結的問題，是實驗所需的驅動電流密度依然偏高，讓物理人渲染磁 skyrmion 有低損耗的氣勢弱了一些。當然，萬軍老師他們似乎已成竹在胸！向他們致敬！
雷打不動的結尾：Ising 乃屬外行，描述不到之處，敬請諒解。各位有興趣，還請前往御覽原文。原文連結資訊如下：
Electrical detection of mobile skyrmions with 100% tunneling magnetoresistance in a racetrack-like device
Mengqi Zhao, Aitian Chen, Pei-Yuan Huang, Chen Liu, Laichuan Shen, Jiahao Liu, Le Zhao, Bin Fang, Wen-Cheng Yue, Dongxing Zheng, Ledong Wang, Hao Bai, Ka Shen, Yan Zhou, Shasha Wang, Enlong Liu, Shikun He, Yong-Lei Wang, Xixiang Zhang & Wanjun Jiang
npj Quantum Materials 9, Article number: 50 (2024)
https://www.nature.com/articles/s41535-024-00655-1
備註：
(1) 筆者 Ising，任職南京大學物理學院，兼職《npj Quantum Materials》編輯。
(2) 小文標題“磁Skyrmion有了煙火氣”乃感性言辭，不是物理上嚴謹的說法。這裡只是引起讀者關注的表達：磁 skyrmion 不能總是用洛倫茲和小針尖去一個一個地“觀測”。我們迫切需要電探測和電操控，而萬軍看起來在這裡做到了！致敬！
(3) 文底圖片乃玄武湖荷葉初放，其形態像一個一個的 skyrmion (20240602)。小詞 (20240605) 原本是芒種節氣吟誦江南水天青蔥之色、生氣盎然。且將江萬軍操控“山川之青與水天之白”的意境，寫入到《江城子》中，雖然詩詞本身也欠缺煙火氣。
(4) 封面圖片來自楊洪新老師，取自 https://www.eurekalert.org/multimedia/933395。圖中展示了 skyrmions – based single – nanotrack logic device with two inputs at both ends and one output in the middle, where Néel-type magnetic skyrmions with different topological charge and helicity number are illustrated。
本文系網易新聞·網易號“各有態度”特色內容
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