困扰物理学界50年的磁性异常终于在二维纳米片上被观测到

在德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）的一个真空室内，物理学家们取出一层磷硫化镍（NiPS3），并将温度降低，直到磁噪声冻结。最终出现的是一种“六态时钟相”（six-state clock phase）——一种微观景观，其中的原子自旋被锁定在六个离散的方向上，将理论上的磁涡旋固定在有序的几何图案中。

这是首次直接在材料中观测到Berezinskii-Kosterlitz-Thouless（BKT）相变，这一现象在20世纪70年代被预言，认为二维磁体的行为与三维磁体存在根本性差异。五十年来，它一直是一个数学上的奇特现象。如今，它代表了半导体行业备受推崇的一种机械特性，为自旋电子存储芯片提供了一套物理路线图，有望在没有传统电子设备产生巨大热量的情况下进行计算。

对平面磁体长达50年的探索

在20世纪70年代，理论物理学家证明，传统的磁相变不可能发生在完美的二维连续自旋系统中。相反，数学计算表明，二维系统能够支持涡旋——即随着温度变化而结合和分离的微观磁旋涡。

问题的关键在于找到一种足够纯净的材料来验证这一数学理论。现实世界中的磁体存在于三维空间中，充满了结构缺陷、杂散相互作用和嘈杂的面外耦合。为了真正观察到BKT物理现象，研究人员需要一种孤立的、原子级平整的磁体以及极端的低温控制。

德克萨斯大学奥斯汀分校的团队成功地在他们的NiPS3单层材料中捕获了整个预言的序列。在较高温度下，该材料表现为涡旋-反涡旋流体。随着设备进一步冷却，它转变为刚性的六态时钟相，最终将抽象的数学方程与设备团队可以操控的工程材料联系了起来。

消除数据中心的热量问题

拓扑磁纹理的商业吸引力归结为功耗问题。传统的硅电子设备通过电阻材料移动电荷，从而产生巨大的热量。自旋电子学提议改用电子的自旋，在接近零焦耳热的情况下执行逻辑运算。

磁涡旋在此尤为珍贵，因为它们受到拓扑保护，使得它们在面对局部缺陷和热噪声时具有高度的稳定性。如果数据能够被编码到这些稳定的旋涡中并由自旋电流引导，那么内存和计算的能源开销将大幅下降。

但工程上的警告依然严峻。德克萨斯大学奥斯汀分校的演示依赖于极度低温和精密、超净的范德华异质结构。材料研究小组已经在争论不同的磁性组合是否能在室温下实现类似的稳定性，而这仍是商业芯片设计的绝对基准。

晶圆级雄心与制造差距

对于欧洲的产业政策而言，低功耗计算硬件的任何进步都受到密切关注。布鲁塞尔和柏林已投入数十亿国家援助资金以实现先进半导体主权，并特别将自旋电子学视为遏制区域数据中心和量子混合系统日益增长的电力消耗的一种途径。

欧洲面临的结构性问题在于，其核心工业优势并不在于扩展异质范德华纳米片。该大陆在精密光刻、设备制造和系统集成方面占据主导地位，但在开创新型材料生产方面往往落后。

如果BKT涡旋要从德克萨斯的低温恒温器走向商用逻辑芯片，就需要进行跨大西洋的分工。专业实验室很可能会继续绘制材料平台，而欧洲的工具制造商则需要找出如何将这些精致的原子层集成到标准的硅工艺流程中。布鲁塞尔可以起草主权供应链指令。至于低温冷却技术，将不得不由其他人来解决。

来源

• 德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）