磁八极子有助于克服反铁磁体的问题

日本理化学研究所的物理学家展示了如何通过用新型磁性材料替代传统磁性材料来实现超快、低功耗的存储设备。

在传统硬盘驱动器中，必须物理移动磁盘才能读取和写入磁盘。这种方法的缺点是速度慢且容易出现机械故障。

更好的方法是利用电流移动磁畴之间的壁——磁畴是磁性材料中磁矩以一致方式排列的微观区域。所谓的畴壁设备有望实现快速、低功耗的存储设备。

“就硬盘驱动器而言，你需要一个必须以物理方式移动的小线圈，”日本理化学研究所新兴物质科学中心的大谷义近(YoshichikaOtani)解释道。“但对于基于畴壁的设备，你不需要任何机械运动。相反，畴壁会移动，你可以通过电子方式读取和写入信息，而无需任何机械运动。”

人们曾利用铁磁畴研究过畴壁器件，其中畴内的所有自旋都彼此平行。但这些器件需要高电流密度来推动畴壁，这会导致高功耗。这些畴还会产生杂散磁场，这使得将大量畴壁塞入狭小空间变得具有挑战性，从而使小型化变得困难。

概念图显示由八个子晶格矩(小箭头)排列成八面体的簇磁八极子。长绿箭头表示净磁矩。图片来源：RIKEN新兴物质科学中心

反铁磁畴的自旋以交替方向排列，可以克服这两个问题。但它们的低净磁场是一把双刃剑——它们有利于小型化，但也使操纵和检测这些畴变得困难。

现在，大谷和他的同事展示了一种基于反铁磁材料实现畴壁设备的新方法，克服了这一困难。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

他们的方法秘诀是使用非共线反铁磁体，其中亚晶格矩形成簇磁八极子。这与更常用的磁偶极子形成对比，后者有两个极点，类似于微小的条形磁铁。

利用这种结构，研究小组能够以移动铁磁畴壁所需电流密度的百分之一左右将畴壁加速到每秒750米的速度。

这一发现让团队大吃一惊。“我们不确定它是否适用于八极子，”大谷说。“但当我们尝试时它确实有效，所以我们感到很惊喜。”

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