(文章来源：环球创新智慧)
在信息爆炸的时代，我们每天都要产生和面对大量的数据和信息。现有的存储器在尺寸、性能、功耗和成本方面面临着严峻的挑战。因此，世界各地的科学家都在探索各种新的存储技术，其中之一就是基于自旋电子学和磁学的新型存储器件。
德国美因茨大学的物理学家论证了在反铁磁体中读写数字信息在技术上是可行的，有望在未来带来超高速稳定的磁存储。新加坡国立大学的研究人员发明了一种新的超薄多层薄膜，通过使用一种手形自旋结构单元：Sigmund，可以有效地存储信息，被认为是下一代数据存储和逻辑器件的主要信息载体。日本东北大学的研究团队成功开发了存储密度为128Mb的自旋转移矩-磁性随机存取存储器(STT-MRAM)，写入速度为14纳秒，可用作物联网和人工智能中的缓存。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室领导的研究小组在芯片上创造了一个纳米级的“运动场”，可以模拟被称为“磁单极子”的奇怪磁性粒子的形成。这项研究最近发表在《科学进展（Science Advances）》期刊上。
近年来，其他研究人员一直试图创建磁单极子的真实世界模型。磁单极子是一种理论上只有一个北极或南极的磁性亚原子粒子。这些难以捉摸的粒子可以通过制造人造旋转冰材料来模仿和观察。旋转冰是一种大型纳米磁体阵列，结构类似于水形成的冰，其中原子排列不完全对称，导致剩余北极或南极。
磁性有异性相吸的现象(北极会吸引南极，南极会吸引北极)，所以这些单极会努力寻找自己的完美匹配。论文第一作者、时任伯克利实验室高级光源(ALS)博士后研究员、现就职于瑞士保罗谢尔研究所的艾伦法尔汉(Alan Farhan)表示，由于这些传统的人工旋转冰是二维系统，单极子高度受限，因此并不能真正代表磁单极子的性能。
为了克服这一障碍，伯克利实验室领导的团队模拟了一个遵循“冰规则”的纳米3D系统，冰规则支配着原子在冰(由水或矿物烧绿石形成)中的排列方式。法尔汉说：“这是我们研究的关键要素。通过我们的三维系统，一个北单极子或一个南单极子可以移动到它想去的地方，并与环境中的其他粒子相互作用，就像一个孤立的磁电荷，换句话说，就像一个磁单极子。”
该团队使用伯克利实验室分子铸造厂(一种纳米科学研究设施)开发的复杂光刻工具来描绘三维方形晶格纳米磁体。晶格中的每个磁铁大约有一个细菌大小，并停留在一个1厘米乘1厘米的硅片上。法尔汉说，“这是一个纳米世界：微晶片上的微结构”，但原子级别的配置类似于天然冰。
为了构建这种纳米结构，研究人员结合了两种曝光方法，每种方法都在20纳米和30纳米之间对齐。在分子代工厂，论文的合著者Scott Dhuey在微硅芯片上制作了由四种结构组成的纳米图案，然后在ALS(向全世界访问科学家开放的同步辐射光源研究设施)中研究这些芯片。研究人员使用一种称为“X射线光激发电子显微镜(PEEM)”的技术，用对磁结构敏感的强大X射线束描绘纳米图案，以观察磁单极如何根据温度变化形成和移动。
与其他PEEM显微镜相比，伯克利实验室的PEEMM3显微镜具有更高的X射线入射角，并减少了阴影效应。类似于太阳以一定角度照射在表面时，建筑物的投影。法尔汉说：“实际上，录制的画面中没有阴影效应。这使得PEEM3成为这个项目成功的关键因素。”
这张记录于190K的XMCD(X射线磁性圆二色性)图像序列显示了磁单极如何根据温度变化形成和移动。(来源：法尔汉/伯克利实验室)
Farhan补充说，PEEM3是世界上唯一一种可以在100开尔文(低于-280华氏度)范围内为用户提供完全温度控制的微型显微镜。它可以实时捕捉到人工冻结的冰中出现的磁单极子是如何融化成液体，并随着液体的蒸发，变成类似气体状态(一种叫做等离子体的物质状态)的磁荷。
