科技日报记者 陈曦 通讯员 程丹
4月15日，记者从南开大学获悉，该校物理科学学院教授付学文联合国内外研究团队，基于自主研制的场发射4D超快透射电子显微镜，在国际上率先实现了在万亿分之一秒尺度，精准地翻转材料中纳米尺度微型磁旋涡的旋转方向。这一突破为研发下一代高速、高密度、低功耗的信息存储与计算器件奠定了关键物理基础。相关成果于4月2日发表在国际期刊《自然·纳米技术》上。
我们日常使用的手机、电脑，其存储信息的基本原理，是利用材料中磁矩方向的“上”或“下”来代表“0”和“1”。但随着数据量爆炸式增长，这种传统方式正逼近物理极限。科学家们将目光投向了一种被称为“拓扑自旋结构”的微观磁涡旋。这些微小的磁结构像一个个微型旋涡，具有结构稳定、能耗低、可同时利用多个物理状态存储信息等优点，被认为是突破当前技术瓶颈的理想方案之一。
然而，如何在不破坏这些微观磁结构的前提下，对它们实现超快、精准的操控，一直是困扰全球科学界的核心难题。
“传统调控方式，无论是磁场、电流还是电场，都需通过偏移涡旋核以低频进动的方式来翻转拓扑自由度，不仅速度慢，还容易破坏自旋拓扑完整性，导致调控失序、可控性差。”付学文介绍。
付学文团队提出了一种创新策略：在施加一个微小面外磁场的同时，用飞秒激光脉冲照射材料。飞秒激光的脉冲时间极短——1飞秒仅为1秒的一千万亿分之一。这种激光能瞬间产生热量，“软化”磁旋涡内部的能量壁垒，使自旋方向变得容易调整；而同步施加的微小磁场则像一个精准的“舵手”，引导所有自旋在万亿分之一秒尺度（皮秒级）一致地完成翻转。
“过去用磁场或电流调控，不仅速度慢，还容易破坏磁旋涡的完整结构，导致失控。”付学文解释，“我们的新方法在速度和保真度上实现了量级提升，整个过程是非接触式的，对磁结构本身没有损伤。”
相较于以往需要破坏拓扑结构或速度较慢的电流、磁场调控方法，这种非接触式的光磁协同调控策略在速度与保真度上实现了量级提升。
更令人惊喜的是，研究团队通过精细调节激光能量和磁场强度，实现了对这种翻转行为的任意调控：可以让它确定性地翻转、确定性地不翻转，或者以可控概率随机翻转。这意味着该技术能够灵活适配不同类型的未来计算架构，例如模仿人脑的神经形态计算，或是利用随机性进行高效运算的概率计算。
研究还发现，这种方法不仅能在两种稳定状态之间切换，还能让磁旋涡的状态像量子比特一样在抽象的“布洛赫球”面上连续旋转，模拟出类似量子计算的叠加态操作。这为在室温下利用经典物理系统探索量子逻辑开辟了一条全新路径。
这些突破性成果的取得，离不开一台核心设备——研究团队自主研制的新一代场发射4D超快透射电子显微镜。这台仪器具备200飞秒的时间分辨率和1.4纳米的空间分辨率，是目前全球仅有的两台达到200飞秒时分辨率的同类设备之一，相当于给科学家装上了一双能同时看清极短时间内和极微小空间里物质变化的“眼睛”。正是依靠这台自主研制的先进科学仪器，付学文团队近年来取得了一系列原创成果。
付学文表示，团队正致力于将这项基础科学发现向实际功能器件转化，争取在未来信息技术产业中抢占先机。
（南开大学供图）
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