海歸學者發起的公益學術平臺
分享資訊，整合資源
交流學術，偶爾風月
長吟謝過春光許
浣柳谷、飛花雨
綠粉紅嫣皆褪去
穀風沙沚，雨前青浦
生在浮萍處
約君飲罷初禾露
暮入煙霞曉承暑
且伴松華攜夏住
一輪山黛，幾重岡岵
揮汗竿頭步。
引子
讀者未知相信與否，傳統凝聚態對資料儲存和讀寫的一般認知是這樣的：選擇一個序參量長程式構成的區域 (例如磁疇)，提取一個物理量用於表達資料儲存狀態 (磁矩)，從而實現資料操作功能 (翻轉磁疇實現讀寫)。這樣的理解，深入物理人之骨髓，讓我們以為長程式才是物理人去追逐的目標。長程的鐵磁序、鐵電序是兩個最典型的例項，追逐它們就構成鐵性材料研究的主要目標(磁學、鐵電物理)。
事實上，這樣的理解存在偏差：現實的資料儲存技術所利用的，並不是序參量均勻分佈的區域，反而是均勻區域交界處那些劇烈變化的不均勻區域，如疇壁、渦旋中心和其它類似不均勻處。在那裡，物理性質的變化，被用來表達資料的二進位制或多進位制狀態。最著名的資料儲存器件就是磁碟儲存：資料的讀取，利用的是鐵磁疇壁處的雜散磁場 (stray field) 訊號 (正負、強弱)，如圖 1(A) 所示。有讀者可能會質疑這一觀點：巨磁電阻 GMR 磁頭的資料讀取，就不是這樣的機制，因為 GMR 讀取的是橫穿磁性多層膜或隧道層的電阻大小，如圖 1(B) 所示。其實不然，GMR 的電阻高低，依然是由磁性多層或隧道層介面處的磁疇差異(平行或反平行) 來體現的(自旋散射是量子語言，雜散場是大學電磁學語言)。超越磁儲存，其實鐵電儲存也是如此：每一次讀寫，都是利用鐵電疇壁運動帶來的電荷量變化，如圖 1(C) 和圖 1(D) 所示。
圖 1. 現代資料儲存技術系列中磁儲存和鐵電儲存的一些基本架構。
(A) 磁碟中磁讀寫示意圖。不同取向的磁疇之疇壁處總是有雜散場存在：用磁探測器 (線圈、磁針尖、霍爾計等) 探測雜散場的方向，即可判別磁疇取向，從而判定局域儲存的資料。寫過程，是上述過程的逆過程。(B) 巨磁電阻 GMR 作為讀取磁頭，其工作原理也是利用疇壁處經典電磁學意義上的等效“雜散場”來操控磁頭的磁電阻，進而實現資料讀取。遺憾的是，此時寫資料還是依靠傳統模式 (inductive write element)，速度慢、損耗大。從這個意義上看，GMR 磁碟技術只能算半個革命。(C) 幾種已研發和正在研發的鐵電儲存器基本結構，具體工作過程在此不再詳述。(D) 三種鐵電儲存器工作機制簡單示意，即讀取電流訊號與鐵電極化P 的取向關係：(a) 鐵電隨機存取儲存器 (FeRAM) 中，資料讀寫依靠電晶體溝道電流隨時間演化曲線來實現，不同極化P 取向下演化曲線不同。(b) 鐵電場效電晶體 (FeFET) 的讀寫，則依賴不同極化 P 取向導致的柵極電壓不同。柵壓不同，溝道電流– 電壓曲線亦有差別。(c) 鐵電隧道結 (FTJ) 儲存則很粗暴，直接讀取隧道電流與電壓的依賴關係。鐵電隧道層中不同極化取向對應的隧道電導是不同的。紅色/ 綠色箭頭對應 P 向下 / 向上。
(A) from M. Reimer et al, Nanotechnology Reviews, vol. 6, no. 2, 2017, pp. 221-232, https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/ntrev-2016-0060/html。(B) from C. Chappert et al, The emergence of spin electronics in data storage. Nature Mater 6, 813–823 (2007), https://www.nature.com/articles/nmat2024。(C) from J. Y. Part et al, Revival of Ferroelectric Memories Based on Emerging Fluorite-Structured Ferroelectrics, Adv. Mater. 35, 2204904 (2023), https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204904。Here a) 1T1C ferroelectric random-access-memory (FeRAM), b) a planar-type ferroelectric field-effect-transistor (FeFET), c) a ferroelectric-fin field-effect-transistor (FinFET), d) a recessed-channel FET, and e) a gate-all-around (GAA) FeFET, respectively。(D) from M. Tarkov et al, Nanomaterials 2022, 12(24), 4488, https://www.mdpi.com/2079-4991/12/24/4488。
無論是疇壁、渦旋或其它單元，在物理人眼中，不過是具有一定維度 (d) 的拓撲缺陷而已 (統稱為鐵性拓撲缺陷)，如圖 2 所示。幾何意義上，這類缺陷具有拓撲結構獨有的魯棒性。先輩們想到用這些拓撲缺陷來存取資訊，未知是有意還是無意，亦或算得上是一種“天意”巧合？！即是說，許多年來，物理人實際上是在用拓撲缺陷來存取資訊，而不是利用序參量長程式區域本身，只是我們並沒有清晰地意識到這一點！無論如何，這些特徵似乎在提示物理人：對未來的磁或鐵電儲存載體，為提升密度和可操控性，優先的目標不再是長程式區域，而是拓撲缺陷態區域！或者說，利用拓撲缺陷進行資訊存取，並不算是資料儲存在觀念的革新，因為原本的資料存取就是基於拓撲缺陷的。很顯然，拓撲缺陷，依然是面向未來的選擇。
特別注意到，鐵性疇壁或渦旋，幾何上屬於二維 (d = 2) 的拓撲面缺陷，如圖 2(A) 和圖 2(B) 所示。它們在三維空間 (d = 3) 中擴充套件，實際上佔據了很大的空間區域 (即尺度很大)。面對資料存取密度不斷攀升的需求，基於這類拓撲缺陷作為儲存單元的器件，必定會因為尺寸問題難以為繼、走向終結，維度更低的拓撲缺陷登堂入室不可避免。從這個意義上，那些準一維 (d ~ 1) 甚至準零維 (d ~ 0) 的拓撲缺陷，作為新一代資料存取單元，不可避免會來到物理人眼前。
因此，現在能夠明白，磁性 skyrmion 撲面而來，不是因為某個物理人偶然發現之，其背後是有必然原因的：它，就是一個比通常疇壁低一維、準一維 (d ~ 1) 的拓撲缺陷！
(A) 鐵電疇壁的三維檢視：(A1) 鐵電疇的TEM 襯度像，其中鐵電極化的指向如圖所示。(A2) 鐵電疇的三維形態，這裡只畫出極化 P 向上的疇，那些 P 向下的疇被掏空，沒有展示。(A3) 鐵電 d = 2 的疇壁在 d = 3 空間的組態。鐵電極化 P 總是攜帶束縛電荷 (極化頭尾部分別束縛正負電荷)。如果將電荷用 P 作為單位顏色化標識，則疇壁處的電荷分佈如圖所示，三維空間特徵明顯。
(B) 自旋渦旋 vortex、反渦旋 antivortex、渦旋對 vortex – antivortex pair 的空間形態。(B1) / B(2) 這些渦旋在 d = 2 平面上的形態。如果將渦旋芯 core 的空間位置提取出來，則這些cores 的空間幾何如圖 (B3) 所示。一對一對的渦旋對，其局域形態則顯示於圖 (B4)。特別注意到，渦旋芯其實是 d = 1 的缺陷，但因為渦旋本身擴充套件的區域很大，整個渦旋其實是類似於準三維 (d = 3) 的拓撲缺陷。
(C) 文獻總結的一維、二維及三維鐵性拓撲缺陷示意圖，包括磁性 m 和鐵電極化 p 兩大類：(a) 奈爾型 (Neel – type) 斯格明子 (卷繞數 winding – number w = -1)；(b) 布洛赫型 (Bloch – type) 斯格明子 (w = -1)；(c) 反斯格明子 (antiskyrmion) (w = +1)；(d) 雙斯格明子 (biskyrmion) (w = –2)；(e) 渦旋態 (vortex) 斯格明子 (w = -0.5)；(f) 半子 (meron) (w = -0.5)；(g) 雙半子 (bimerom) (w = -1)；(h) 套嵌斯格明子 (skyrmionium) (w = 0)；(i) 斯格明子管 (skyrmion tube)；(j) 磁浮子 (bobber)。箭頭表示自旋 / 極化方向，面外分量 (mz / pz) 分別用三種顏色表示：紅色表示朝向面外, 白色表示在面上, 藍色表示朝向面內。所有這些拓撲缺陷在平面看都是局域的，擴充套件區域不大，可以看成是準粒子。這裡專門將 skyrmion 的三維結構示意於圖 (C2) 中。
(A) from E. D. Roede et al, The Third Dimension of Ferroelectric Domain Walls, Adv. Mater. 34, 2202614 (2022), https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202614。(B1-B2) from The Nobel Prize in Physics 2016, or https://rubilacxe.github.io/blog/Topology.html。(B3-B4) from A. Lara et al, Low Temp. Phys. 46, 316–324 (2020), https://pubs.aip.org/aip/ltp/article/46/4/316/252884/Time-dependent-Ginzburg-Landau-simulations-of。(C1) from P. C. Wang et al, Acta Phys. Sin., 69, 117501 (2020), https://wulixb.iphy.ac.cn/en/article/doi/10.7498/aps.69.20200007。(C2) from M. T. Birch et al, Real-space imaging of confined magnetic skyrmion tubes, Nature Commun. 11, 1726 (2020), https://www.nature.com/articles/s41467-020-15474-8。
磁skyrmions操控
磁skyrmion 作為自旋電子學前沿和熱點之一，已被高強度關注多年。《量子材料》公眾號曾經有多篇科普短文展示這一主題，如《磁斯格明子的封地》、《磁Skyrmion有了煙火氣》等。希望瞭解這一磁性拓撲缺陷的讀者，可點選御覽一二。現在，物理人對磁skyrmions 的理解就是：這是一柱狀 (未必無限長、柱長由介質厚度決定)、準一維的磁拓撲缺陷，其垂直於柱軸線的平面組態如圖 2(C1) 所示。在平面上看，它是一個局域 (尺寸可調)、攜帶拓撲磁荷 Q = 1 的“準粒子”或磁“奇異點”(拓撲粒子)，雖然立體空間看起來它更像一條扭擺巡遊的毛毛蟲，如圖 2(C2) 所示。
如果作為資料存取單元，(1) 這樣的拓撲粒子在空間堆砌，預期有較高堆砌密度 (相對疇壁而言)，即較高儲存密度；(2) 這樣的拓撲粒子在空間運動，預期有較快速度 (相對疇壁而言) 和較低損耗；(3) 特別地，如果是電流驅動這一拓撲粒子運動，預期電流密度可以較低。如此三條，是物理人為之描繪的應用前景。除此以外，物理人潛意識裡對這一拓撲缺陷還有些“情有獨鍾”：固體中密集排列的自旋點陣世界裡，怎麼會有實空間如此奇特的、低能激發的、數學上等效為孤波的準粒子存在？
如此，物理人便開始對磁 skyrmion 開展不同層面探索，並尋求應用這一“準粒子”。這裡將著重討論兩種操控模式和兩類操控手段，以鋪墊本文要渲染的主題。
(1) 原位擦寫
到目前為止，已在大量不同的均勻 (單相) 與非均勻 (異質結、具有微結構) 磁體中觀測到 skyrmion 的產生和湮滅，圖 3(A) 所示乃兩個例項動畫。歸根到底，這一準粒子的產生與湮滅，都與自旋 – 軌道耦合 (SOC) 有關。無論自旋的量子起源如何，在唯象理論層面上，磁性體系等效哈密頓包含的相互作用，無非是海森堡相互作用、外磁場引起的 Zeeman 能、SOC 和自旋 – 晶格耦合四大能量項，其中 SOC 還可分解為磁各向異性、DM (Dzyaloshinsky – Moriya) 互作用 (DMI) 等不同表述。這些相互作用中，只有 SOC 是橫向的，即包含兩自旋之間的叉乘 (Si × Sj)。注意到，skyrmion 實際上就是自旋集在空間 collective 轉動而形成的。
對 skyrmion 的產生與湮滅研究，除了可加深對其物理機制的認識外，應用驅動也是主要關注點。如果存在某種與 skyrmion 聯絡起來的物理訊號可供讀取，例如產生與湮滅帶來穿越電阻的變化，則資料讀寫就可利用電阻變化這種最直接的功能。這一模式易於實現高密度、空間多層堆砌，是很理想的資料存取機制，雖然物理人還是需要了解這種存取或讀寫的驅動損耗有多大。筆者傾向於這一工作模式，因為它的工作不需要對 skyrmion 進行運動控制、原地擦寫即可，效率高、工作可靠，雖然下文的賽道存取模式亦很拉風！
(2) 賽道模式
所謂賽道模式，一開始就被推崇備至，不知是因為在數學上可被描述為高度穩定的孤波，還是因為運動時“天生”的拓撲魯棒性。正如圖 3(B) 所示，乍看起來，這一模式的確有天才之風、令人稱奇。熟悉器件工藝的人們，還面臨一些控制技術上的挑戰。在基礎探索層面和原型器件層面，物理人也在大力探索。畢竟，磁 skyrmion 具有相當大的“有效質量”，與電子或光子運動比較起來，其運動的確定性和可操控性到底有多高，還是需要探索的。
筆者理解，對賽道機制之所以有認同，可能源於傳統疇壁存取就是透過疇壁運動(或探測單元的相對運動) 來實現的。賽道機制一開始就是針對高密度疇壁儲存而提出，如圖 3(C) 所示。但是，疇壁運動這一傳統機制之所以工作，一是基於短程運動而非賽道儲存那般長程運動，因此實際上還是局域擦寫；二是因為疇壁是 d = 2 的擴充套件型拓撲缺陷，無法透過局域產生或湮滅方式操作。而 skyrmion 則已然不同，它比疇壁更為局域，已蛻變為平面內一個 d ~ 0 的“粒子”，透過局域擦寫則可完成這一拓撲缺陷攜帶的資訊存取。此時，剩下的問題是尋求在賽道上對一個快速運動的“質點”/“粒子”進行探測和寫入，並發展成一種技術上可行和適用的模式。
後來者明白，賽道模式最大的問題 (if any)，是運動穩定性與軌道確定性還不夠好。圖 3(B2) 的動畫，實際上一定程度展示了，磁 skyrmions 在運動過程中的橫向飄移距離已經超越 skyrmions 尺度本身。如此大的飄移，如果不能有效抑制，則有效利用 skyrmions 的高密度之可能性就不高。有兩個 side – effects，使得賽道模式存在不確定性：(i) 賽道運動時 skyrmion 本徵的橫向霍爾飄移；(ii) 高密度儲存時讀取定址問題。對 (i) 已有很多探索給予關注，包括江萬軍老師的系列工作，也有一些對沖橫向飄移的方案，在此不論。但是，對(ii) 的關注尚未提上日程。傳統磁碟的定址，是靠高精度可控的壓電懸臂樑來實現的，磁疇疇壁並未發生長程運動。如果是賽道儲存模式，高精度定址如何能得到保證，在筆者看來是一個未解之課題。
圖 3. 磁 skyrmion 的操控模式舉例。
(A) 兩種原位 on – site 擦寫模式：(A1) 是從完全無序的自旋晶格中產生磁 skyrmion，類似於在 SOC 較強體系中，施加磁場促使從順磁態到鐵磁態相變過程中產生這類 skyrmion。(A2) 局域磁結構受到橫向約束下，也有可能產生磁 skyrmion。(B) 運動中的磁 skyrmion：(B1) 江萬軍他們發展的局域約束方法，以從條紋疇中產生可高速運動的磁 skyrmions。(B2) 幾何約束下的賽道運動卡通。(C) 所謂磁疇壁賽道儲存的簡單原理，運用到磁 skyrmion 中，即 skyrmion 賽道儲存模式。
(A1) From https://fangohr.github.io/blog/2015-skyrmions-in-confined-nanostructures.html，or https://www.nature.com/articles/srep17137。(A2) https://funsizephysics.com/spins-and-skyrmions/。(B1) From 江萬軍，https://www.anl.gov/article/argonne-scientists-announce-first-roomtemperature-magnetic-skyrmion-bubbles。(B2) From W. Kang et al, Scientific Reports 6, 23164 (2016), https://www.nature.com/articles/srep23164。(C) https://fangohr.github.io/blog/2015-skyrmion-skyrmion-and-skyrmion-edge-repulsion-in-skyrmion-based-racetrack-memory.html。
操控方法
無論是賽道模式，還是原位擦寫模式，對磁 skyrmion 進行有效操控的手段與方法，其實並不多、實現起來亦不容易。目前已知的，無非是外加電 / 磁場、電流場、熱場 (溫度)、力場 (應變) 等幾類。對每一種模式，物理人都在全方位探測。畢竟，在高技術時代，諸如資料儲存這類對每一個技術節點都要求極高的技術架構最終花落誰家，也是很有變數的。這裡只是提取幾種模式做簡單回顧：
(1) 電流驅動
磁 skyrmion 賽道模式的電流驅動，主要依賴自旋轉移力矩 STT，亦或自旋軌道矩 SOT。它們都被證明是有效驅動機制。鑑於大量研究關注於此，也鑑於上文已討論了賽道模式的優勢與不足，本文只簡單提及可能存在的問題。
電流驅動可能面臨的最大問題有二。第一是如何克服焦耳熱問題，即驅動能耗能否降低到大多數人都認可的 103 A/cm2 以下？STT 和 SOT 都源於自旋相互作用，即自旋自由度，但焦耳熱源於電荷運動受到的散射。從基本原理看，電荷攜帶的能標，比自旋攜帶的能標要大很多。除非電荷輸運散射被有效抑制，否則焦耳熱問題難以完全克服。第二個困難，是如何避免橫向霍爾或有效定址 (將兩個問題合二為一)。圖 3(B) 已顯示skyrmions在賽道中運動時有點搖搖晃晃的樣子。當然，現在有一些方案，如限制賽道寬窄或約束邊界，來約束磁 skyrmion 運動，使得其運動看起來更穩定和直線化。另外，快速運動的skyrmion，在透過探測器時如何被有效精準地探測到，可能也有技術上的挑戰。
如下，重點討論原位擦寫的驅動模式。
(2) 電 / 磁場驅動
首先是磁場操控，如圖 4(A) 給出的例子所示。雖然物理人都希望自旋電子學器件最好不要透過磁場激勵，但到目前為止似乎成效不大。大多數情況下，要操控磁 skyrmion，都需要外加一定磁場。特殊情況下，透過特定異質結介面或應變調控 SOC 等方式，可實現無磁場激勵 skyrmions 產生，但尚未形成一般性規律認知。特別是，對一些 3d 過渡金屬化合物，其 SOC 可能不足以讓 skyrmion 成為基態，意味著外加磁場輔助難以避免。從基礎研究角度，磁場是很好的外部操控自由度，對物理人深入理解磁 skyrmion及動力學很有價值。但是，於實際應用場景，要獲得滿足應用所需的磁場 (大小、方向、局域化)，不是容易的事。以磁場作為資料讀取擦寫的驅動，似乎不再為應用首要關注。
其次是電場操控。從目前的物理理解，靜電場缺乏一個有效耦合機制對磁 skyrmion 施加調控，除了藉助磁電耦合效應，如圖 4(B) 給出的一個例子所示。考慮到單相磁電耦合依然很弱，試圖仰仗靜電場引入足夠的磁矩變化、以操控磁 skyrmion 形成的物理條件，尚不成熟，在此不再討論。與此不同，藉助傳統的磁電覆合結構或異質結，電場透過鐵電層的壓電效應引入應變，再透過逆壓磁效應在鐵磁層傳遞磁矩和/或磁各向異性變化，有可能操控磁 skyrmion 形成。但是，這一效應，當歸入下文提及的應變激勵模式。
(3) 應變驅動
磁 skyrmion 的原位擦寫，應變驅動可能算得上是最便利的方法之一。這一模式如此受看重，有三個動機：(i) 晶格應變改變磁各向異性，疊加於 SOC 之上，會對自旋各向異性產生影響；(ii) 晶格應變易於透過高效 (超低損耗) 模式實現，如壓電模式，從而將電場操控磁 skyrmion 擦寫模式引入，一直以來都得到物理人高度關注。圖 4(C) 給出了一個最近的例項：幾個高水平課題組透過簡單的磁電覆合層結構，激勵張應變 (tensile strain) 和壓應變 (compressive strain)，即可實現磁條紋疇、skyrmion 和鐵磁疇之間的原位切換。
當然，應變驅動的最大缺點在於大多數情況下要引入異質結：將磁 skyrmion 載體層與晶格應變層異質結合，方可實現這一模式。雖然磁致伸縮本身亦可實現晶格應變，但磁場激勵不再是未來高效儲存讀寫的方案。異質結晶格應變的另外一個缺點是力學損傷，畢竟天文數字的 skyrmion 擦寫次數，意味著晶格疲勞無可避免。
目前來看，晶格應變效果還不夠好的主要原因在於：(i) 異質結能產生的應變數尚小，很少能得到超過 1% 晶格應變，很多可靠的壓電材料之標準效應大約是 0.1%。尋求更大的可控應變方式，是值得探索的方向，例如引入弛豫型巨壓電體。(ii) 壓電引入應變，多透過面外電場激勵，透過 d33 誘發面外應變，體積守恆條件必然導致面內雙軸 d31 和 d32 驅動的雙軸應變，大大削弱了晶格應變的效果，或者說沒有很好將單軸應變的效應展示出來。很顯然，也正如物理人已從計算和模擬視角討論過，如果能誘發面內單軸應變，則 DMI 就可被調控成各向異性。如此，擦寫 skyrmion 的效果將會被大大加強：增減 DMI 的各向異性，必然導致 skyrmion 與 stripe 之間的切換。此乃我們需要的原位擦寫！
由此，我們面臨的課題是：要調控壓電 – 磁性異質結中磁性層的磁 skyrmion，應變、單軸應變、足夠大的單軸應變，是需要具備的條件。事實上，這些條件，實現其一已不容易，要全部實現極為困難。
圖 4. 磁性 skyrmion 的操控方式舉例。
(A) 磁場操控：在 SiO2 層隔離的 Si 基片上生長 top – W (5nm) / Co20Fe60B20 (1.3nm) / Ta (0.1nm) / MgO (1nm) / Ta (3nm) – bottom 多層膜樣品，然後沿與膜面不同角度施加磁場，就能誘發 skyrmion 的產生和消失。如果磁場從垂直於膜面轉動到平行膜面，會誘發各向同性條紋疇轉變為 skyrmion，再轉變為有序條紋疇 (沿磁場方向)。(B) 電場操控：最直接的思路是利用磁電耦合效應，由電場操控磁矩或者磁各向異性，以操控 skyrmion 的產生與湮滅。但目前已有材料的磁電耦合效應偏弱，還只能做到施加電場使原本的 skyrmion 發生形變。(B1) 顯示施加電場的實驗示意圖，(B2) 展示了利用中子散射測量的結果。物件是那個著名的多鐵 skyrmion 材料 Cu2OSeO3，結果展示在電場操控下，散射斑點發生了顯著形變。(C) 電場調控的另外一種模式展示：藉助壓電效應引入應變，操控磁 skyrmion。將磁性多層膜生長在壓電單晶襯底上，施加面外電場到襯底上，將藉助襯底的 d15 效應對多層膜施加面內雙軸應變 (biaxial strain)。可以看到，基態下的磁條紋疇在張應變下會演化為 skyrmion，而壓應變下會變成鐵磁疇。
(A) From S. Yang et al, Nano Lett. 22, 8430–8436 (2022), https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02268。
(B1) From https://www.psi.ch/en/lns/scientific-highlights/electric-field-induced-skyrmion-distortion。(B2) from J. S. White et al, PRL 113, 107203 (2014), https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.107203。
(C) From C. Feng et al, Field-free manipulation of skyrmion creation and annihilation by tunable strain engineering, Adv. Funct. Mater. 31, 2008715 (2021), https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202008715, and https://www.x-mol.com/paper/1357822986466930688?adv。
單軸大應變擦寫
筆者經常說，物理人可是天底下最聰明的一群人 (不接受反駁)。言下之意是說總有人能夠想到一些新奇的辦法去解決問題。來自華南師範大學先進材料研究所 (IAM) 的侯志鵬教授課題組，包括那位能幹的丁貝博士，就想到了一些舉措，將問題解決推進了一步。
(1) 眾所周知，對磁性薄膜和多層膜，施加晶格應變最常見的方法是將薄膜或多層膜沉積到壓電單晶襯底上，然後利用襯底的壓電效應產生應變。其實，從事聚合物高分子材料研究的物理人早就知道，聚合物基片對外部刺激的響應可比很多壓電材料的電致應變更加顯著。更進一步，因為天生的長鏈結構，高分子在結晶時，其構型傾向有序摺疊式排列而形成面內結構的單軸各向異性。在外場刺激條件下，高分子基片形變會展現大的面內單軸各向異性。
(2) 研究液晶材料的物理人還知道，相比壓電材料的電場誘發應變，液晶材料產生應變有更多種模式。首先，液晶分子的光致、熱致或力致應變可達到 1% 甚至更大，而光和熱致應變可以是非接觸式的，乃一大優點。其次，光致應變具有時空精度高的優勢，因為激勵光斑可以達到足夠的時間和空間解析度 (光脈衝、空間聚焦)，非熱激勵所能比肩。再次，光致液晶響應，還有光波波長這個自由度，調控起來更為容易，令人印象深刻。例如，志鵬 / 丁貝他們注意到，偶氮苯 (azobenzene, AZO) 作為一種光敏液晶，就具有很好的光響應性：(i) 在 340 – 380 nm 的深紫外光激勵下，介觀基元 (mesogens) 構築的 AZO 會展示彎曲的偶氮 (-N=N-) 鍵，產生巨大的彎曲應變 (當然主體是 uniaxial 單軸的)，如圖 5(I) 所示。如果在 AZO 基片上沉積磁性多層膜，液晶基片的巨大彎曲應變將傳遞到磁性多層膜中。(ii) 隨後，如果用 420 – 550 nm 綠光激勵，這一彎曲應變會因為 AZO 分子形狀恢復而消失。也就是說，紫外光和綠光的交替激勵，能夠在 AZO 液晶基片上施加和消除應變。特別是，這個應變足夠大，大到可以展現原來難以企及的一些新效應。
(3) 作為引入晶格應變的載體，液晶基片具有一定的形變能力，因此是柔性磁性器件未來的可選之一。液晶基片的成本和製備規模都具有足夠的競爭性，值得期待。當然，運用液晶基片也有其劣勢和問題：畢竟是高分子，液晶基片在隨後的磁性薄膜沉積時難以抵抗很高的沉積溫度，是一個問題。而較低的彈性模量，也使得晶格應變的線性度不夠好。
(4) 志鵬 / 丁貝他們發展了可靠的光活性 AZO 基片製備技術，並利用磁控濺射在這一基片上沉積 [Pt/Co/Ta]12 = [(Pt (2.5 nm) / Co (2.2 nm) / Ta (1.9 nm)]12 / Ta (20 nm) 磁性多層膜。無須諱言，施加面外磁場很容易在這個 well-defined 的多層膜體系中誘發出磁skyrmion。利用已經熟練掌握的磁性原子力顯微探針 (magnetic force microscopy, MFM)，他們可以將磁性多層膜中的介觀磁結構看得一清二楚。
(5) 他們的主要探測結果，被部分擷取於圖 5(II) 中。很顯然，實驗設計和測量方法都很精緻，展示的資料和結果也都挺漂亮。這些結果大概可概括為：
(i) [Pt/Co/Ta]12 的基態鐵磁結構，呈現條紋疇形態，在面外磁場作用下能形成大約 100 nm 左右的室溫磁 skyrmion 陣列。
(ii) 如沒有磁場輔助，沿條紋疇方向施加張應變，到達一定閾值即可將條紋疇轉動 90 度，即翻轉到條紋疇垂直於應變方向。與應變調控磁各向異性相關的箇中機理，已被理解得很清楚。注意到，此時，應變似乎無法在中間某個特定區域觸發磁 skyrmion，還是沒有走出“無磁場輔助難以激勵 skyrmion”的如來手掌。
(iii) 如果施加輔助磁場，則沿條紋疇方向再施加張應變，很快就可觸發出磁 skyrmion。應變太大，亦又會將 skyrmion 擦除掉，回覆到垂直於應變方向的條紋疇態。當然，在一定引數範圍內，輔助磁場越高，skyrmion 被擦除所需的臨界應變也越大。
(iv) Skyrmion 總是存在一定的負 Poisson 效應，即應變越大時，skyrmion 形態會出現形變，沿垂直於應變方向會被拉長。
(v) 理論分析和微磁學模擬清晰揭示出，單軸應變將導致 DMI 呈現空間各向異性，從而誘發“平行條紋疇”到“skyrmion”、再到“垂直條紋疇”的轉變。考慮到條紋疇和 skyrmion 屬於不同拓撲類，這是典型的拓撲轉變 (multi – step topological phase transition)。
圖 5. 侯志鵬、丁貝他們得到的部分實驗結果。為求完整理解，這裡將圖題嵌入到圖中，便於讀者御覽。
不是結論的討論
這是一篇應算得上漂亮的研究工作。令人印象最為深刻的一點，是創新性地借用光致液晶 AZO 的巨大單軸應變，實現對磁性層 skyrmion 的原位操控。筆者也是這篇工作的掛名作者，撰寫立場不免有 biased 之嫌。這裡，如其表揚這篇工作，不如站在自我角度提出一些問題和展望，作為不是結論的結論。
首先，嚴格物理意義上，這一實驗展示的亦不是乾淨的單軸應變，因為基底形變是彎曲形變。彎曲形變引入了三維曲率分量，雖然主體是面內單軸應變。所以我們說，這裡的應變是單軸的，亦不是單軸的。其次，可以看到，這裡依然是磁場輔助的實驗結果，雖然結果很漂亮，但也不是沒有遺憾。需要輔助磁場終歸是應用的一道門檻。當然，學問之道，沒有遺憾的結果都不是好結果，對吧！再次，如其說這是一項探索實驗，不如說這是一項初步展示光控磁 skyrmions 原位擦寫的原理性實驗，是值得“炫耀”的，意味著潛在的無接觸式應用方向。最後，也就是可以隨意發揮的層次：將磁性 skyrmion 多層膜整合到可用作顯示的液晶片上，是否意味著未來可實現立足於磁 skyrmion 存算一體的液晶顯示整合器件？OK，筆者展望得太遠了，可以打住！
需要提及，本文描述可能多有不周之處，敬請讀者諒解。對詳細內容感興趣的讀者，可點選文尾的“閱讀原文”而御覽一二。
Multi-step skyrmion phase transition driven by light-induced uniaxial strain
Bei Ding(丁貝), Yadong Wang, Jiahui Meng, Xuejin Wan, Qingping Wang, Xinxing Xu, Yu Zhu, Minghui Qin, Xingsen Gao, Xiaoyan Zhong, Furong Chen, Jiawen Chen, Yangfan Hu, Xuewen Fu, Zhipeng Hou(侯志鵬), & Jun-Ming Liu
Science Advances 11, eadt2698 (2025)https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt2698
備註：
(1) 筆者 Ising，任職南京大學物理學院，兼職《npj Quantum Materials》編輯。感謝侯志鵬教授和丁貝博士，他們與筆者多有交流討論。
(2) 小文標題“力透紙背—擦寫磁skyrmion”乃宣傳式的言辭，不是物理上嚴謹的說法。這裡用“力透紙背”來形象表述光致液晶柔性基片以巨大面內應變，實現應變擦寫磁 skyrmion。意向上，還真是如此味道：力，乃應力；透，乃應力引起的應變；紙背，乃液晶層耦合磁 skyrmion 薄膜。
(3) 文底圖片拍攝自江南 (20250411)，主題意涵自明。小詞 (20250420) 原本寫穀雨時節的耕種與勞作，期待豐厚收成。這裡似乎貼合侯志鵬他們多年耕耘磁 skyrmion 的研究工作。
(4) 封面圖片來自侯志鵬他們論文，展示了很有創意的測量裝置和得到的磁結構在 (單軸應變ε, 面外磁場μ0H) 平面的相圖。
媒體轉載聯絡授權請看下方