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4月15日，記者從南開大學獲悉，該校物理科學學院教授付學文聯(lián)合國內外研究團隊，基于自主研制的場發(fā)射4D超快透射電子顯微鏡，在國際上率先實現(xiàn)了在萬億分之一秒尺度，精準地翻轉材料中納米尺度微型磁旋渦的旋轉方向。這一突破為研發(fā)下一代高速、高密度、低功耗的信息存儲與計算器件奠定了關鍵物理基礎。相關成果于4月2日發(fā)表在國際期刊《自然·納米技術》上。

我們日常使用的手機、電腦，其存儲信息的基本原理，是利用材料中磁矩方向的“上”或“下”來代表“0”和“1”。但隨著數(shù)據(jù)量爆炸式增長，這種傳統(tǒng)方式正逼近物理極限?？茖W家們將目光投向了一種被稱為“拓撲自旋結構”的微觀磁渦旋。這些微小的磁結構像一個個微型旋渦，具有結構穩(wěn)定、能耗低、可同時利用多個物理狀態(tài)存儲信息等優(yōu)點，被認為是突破當前技術瓶頸的理想方案之一。

然而，如何在不破壞這些微觀磁結構的前提下，對它們實現(xiàn)超快、精準的操控，一直是困擾全球科學界的核心難題。

“傳統(tǒng)調控方式，無論是磁場、電流還是電場，都需通過偏移渦旋核以低頻進動的方式來翻轉拓撲自由度，不僅速度慢，還容易破壞自旋拓撲完整性，導致調控失序、可控性差?！备秾W文介紹。

付學文團隊提出了一種創(chuàng)新策略：在施加一個微小面外磁場的同時，用飛秒激光脈沖照射材料。飛秒激光的脈沖時間極短——1飛秒僅為1秒的一千萬億分之一。這種激光能瞬間產(chǎn)生熱量，“軟化”磁旋渦內部的能量壁壘，使自旋方向變得容易調整；而同步施加的微小磁場則像一個精準的“舵手”，引導所有自旋在萬億分之一秒尺度（皮秒級）一致地完成翻轉。

“過去用磁場或電流調控，不僅速度慢，還容易破壞磁旋渦的完整結構，導致失控?！备秾W文解釋，“我們的新方法在速度和保真度上實現(xiàn)了量級提升，整個過程是非接觸式的，對磁結構本身沒有損傷?！?/p>

相較于以往需要破壞拓撲結構或速度較慢的電流、磁場調控方法，這種非接觸式的光磁協(xié)同調控策略在速度與保真度上實現(xiàn)了量級提升。

更令人驚喜的是，研究團隊通過精細調節(jié)激光能量和磁場強度，實現(xiàn)了對這種翻轉行為的任意調控：可以讓它確定性地翻轉、確定性地不翻轉，或者以可控概率隨機翻轉。這意味著該技術能夠靈活適配不同類型的未來計算架構，例如模仿人腦的神經(jīng)形態(tài)計算，或是利用隨機性進行高效運算的概率計算。

研究還發(fā)現(xiàn)，這種方法不僅能在兩種穩(wěn)定狀態(tài)之間切換，還能讓磁旋渦的狀態(tài)像量子比特一樣在抽象的“布洛赫球”面上連續(xù)旋轉，模擬出類似量子計算的疊加態(tài)操作。這為在室溫下利用經(jīng)典物理系統(tǒng)探索量子邏輯開辟了一條全新路徑。

這些突破性成果的取得，離不開一臺核心設備——研究團隊自主研制的新一代場發(fā)射4D超快透射電子顯微鏡。這臺儀器具備200飛秒的時間分辨率和1.4納米的空間分辨率，是目前全球僅有的兩臺達到200飛秒時分辨率的同類設備之一，相當于給科學家裝上了一雙能同時看清極短時間內和極微小空間里物質變化的“眼睛”。正是依靠這臺自主研制的先進科學儀器，付學文團隊近年來取得了一系列原創(chuàng)成果。

付學文表示，團隊正致力于將這項基礎科學發(fā)現(xiàn)向實際功能器件轉化，爭取在未來信息技術產(chǎn)業(yè)中搶占先機。

（南開大學供圖）