美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家与其他地方的同事采用中子成像和重建算法，首次揭示了散装材料中非常小的龙卷风状原子磁排列的3D形状和动力学。

这些被称为斯格明子的集体原子排列——如果得到充分的表征和理解——可以用来以密集的形式处理和存储信息，其使用的能量比现在典型的要少几个数量级。

传统的、基于半导体的以二进制形式(开或关、0或1)处理信息的方法采用的电荷状态必须由电流不断刷新，电流在通过晶体管和连接器时会遇到电阻。这是电脑发热的主要原因。

但是，在稳定的磁状态下操纵和存储信息将需要更少的电流(和热量)，并且允许在一种状态和另一种状态之间更快的切换时间。这个研究领域被称为自旋电子学，因为它利用原子粒子和纳米结构的自旋(固有磁极性)而不是电荷。

NIST领导的团队正在探索一种有前途的自旋电子候选物：一种称为磁性斯格明子的涡旋状原子结构。它在某些类型的原子晶格中自然产生，以响应周围原子的磁和电特性。斯格明子的尺寸通常在20至200纳米(十亿分之一米)范围内。人类头发的宽度约为100,000纳米。

将含有斯格明子的散装材料样本放置在中子束中并旋转一系列小角度。然后将所得切片进行组合和处理。图片来源：改编自Henderson等人，体斯格明子晶格的三维中子远场断层扫描。自然物理学(2023)

在二维中，斯格明子呈圆盘形状，其中原子的各个磁场根据它们在圆盘上的位置而指向不同的方向，就像龙卷风中不同位置的风向一样。

但在散装材料中，斯格明子可以垂直堆叠，形成3D管，其顶部可以延伸到材料的顶部和底部表面。如果每个管子的形状相同，那么斯格明子阵列可以用来存储数据，并且可以通过施加微弱的磁场或电场从一种状态切换到另一种状态，就像在硬盘上读取或写入信息一样。驱动盘。

“但是这些管子的形状不一致，”NIST团队负责人MichaelHuber说。“由于周围晶格的缺陷和不对称性，它们会弯曲、扭曲、分叉或终止。我们试图准确地了解导致这些效应的原因，以及如何操纵材料来控制它们。”该团队在8月14日出版的《自然·物理学》杂志上报告了其研究结果。

在这项研究中，滑铁卢大学的第一作者MelissaHenderson制作了大块样品(边长约为3毫米的立方体)，其中包含钴、锌和锰晶格中的3D斯格明子堆叠或管。他们被带到NIST进行一种新型的中子断层扫描，这是一种将中子束对准样本的过程。当中子与晶格内的不同结构(在本例中为斯格明子管)碰撞时，它们会根据当时管的形状向不同方向散射。

每个样本都被放置在一个强度相当于冰箱磁铁的磁场中，并以非常小的角度增量旋转，产生一系列“切片”，然后使用形状重建算法将这些“切片”组合起来，形成单个3D图像。(这个过程类似于医学CT扫描，它使用X射线束而不是中子来形成3D图像。)结果显示了斯格明子管的形状和传播如何与周围晶格中的不同类型的缺陷相关联。

组合图像揭示了斯格明子管的形状和长度，其随着周围材料晶格中遇到的缺陷而变化。图片来源：改编自Henderson等人，体斯格明子晶格的三维中子远场断层扫描，《自然物理学》(2023年)

“在完美的晶体中，你会拥有这些完美的直管，它们从表面渗透到表面，”亨德森说。“但作为科学家，我们知道不存在完美的晶体，因此在任何给定的温度下，都会出现一些晶体和磁性缺陷，从而破坏这些管子。”

研究人员能够确定晶格中各种局部缺陷如何影响斯格明子管的形状。亨德森说：“当我们能够获得这些物体的纯粹可视化，然后我们可以改变各种参数并了解它们如何响应时，我们就可以用它们来调整未来的自旋电子学材料。”

“现在听起来可能有点异国情调，”胡贝尔补充道。“但10年后，你会去电子商店买到完全基于自旋电子特性的硬盘，具有更密集的存储和更高的效率。

“要做到这一点，我们必须了解斯格明子等特征，学习如何控制它们，并找到合适的材料。”