在数字化浪潮席卷全球的今天，数据正以爆炸式速度增长，人们对信息存储器的要求越来越高：速度要快，能耗要低，容量还要大。这就像希望一辆车既能跑得飞快，又只喝一点点油，还能装下无穷无尽的货物——听起来几乎是不可能的任务。
　　但科学家们正在寻找答案。其中一个充满希望的方向，是一种名为“磁斯格明子”的拓扑磁结构。这种微小的磁性漩涡状结构，被认为有望实现高密度、低能耗的信息存储，从而突破传统存储技术的瓶颈。在中国科学院合肥物质科学研究院，田明亮正是这一领域的开拓者。他和他的团队通过一系列创新研究，解决了磁斯格明子从稳定存在到精准操控的多个关键难题，为未来存储技术提供了新的可能。
　  从“几K”到“全温区”——拓展斯格明子的生存空间
　　磁斯格明子虽然潜力巨大，但却有个“娇气”的毛病——在宏观大块材料中，它只能在磁转变温度以下极窄的温度范围内稳定存在（通常只有几度的温度范围），且需要低温环境，这显然无法满足实际应用需求。
　　如何让斯格明子在更宽的温度范围内稳定存在？田明亮团队提出几何限域效应能够有效稳定磁斯格明子的新机制，在实验上发展出一套精确可控制备纳米条带和圆盘器件的新方法，首次制备了器件尺寸与单个斯格明子大小可比的FeGe纳米圆盘，在实验上成功实现对单个斯格明子及其团簇的直接成像，发现圆盘中斯格明子在低温区的最大填充数与圆盘直径成正比，而不是宏观大尺寸样品的密堆积排列方式，并给出完整的斯格明子形核与温度的相图，证实了低温下边缘辅助形核的新机制。因此，通过减小纳米条带和圆盘器件的厚度与尺寸，有效降低拓扑磁结构能量，将斯格明子稳定区间扩展至磁转变温度下的全温区，大大提高其稳定性。基于以上的新机制和新工艺技术，田明亮团队发现了器件的三维厚度效应对拓扑磁结构的调制机制，观察到纳米圆盘或条带中斯格明子之间存在反常的长程吸引作用，与通常理论认为的斯格明子之间是相互排斥作用的机制相反。为了揭示反常吸引作用的本质，团队成功制备了厚度连续变化的FeGe纳米条带，首次直接观测到由于器件的三维厚度效应诱导出现一个新型的拓扑磁结构——磁浮子。磁浮子和磁斯格明子可以一起作为二进制数据比特“0”和“1”构筑存储器，大大简化磁存储器的设计。该工作被评价为“磁存储发展的一大步”。
　　从单一到多元——创造多拓扑荷磁结构
　　传统磁斯格明子的拓扑荷为+1或-1，其在电流驱动下运动会发生偏转，导致信息丢失，这是斯格明子器件面临的又一难题。田明亮团队通过多场调控磁结构手段，在纳米条带中实现了新型的高阶任意拓扑荷磁斯格明子束缚态的构筑，即“磁束子（skyrmionbundles）”。其中对于拓扑荷为“0”的磁束子，实验观测到其运动方向与驱动电流方向一致而不发生偏转。这种新型拓扑磁结构可以作为数据载体构筑新型磁电子学器件，解决了传统拓扑磁结构在纳米结构单元中运动偏转导致数据易丢失的问题。
　　这项研究被同行评价为“明显促进了本领域基础研究的发展”，为拓扑磁存储器的设计提供了新思路。
 　 从理论到器件——实现全电操控的突破
　　磁斯格明子存储器是基于“赛道存储”的思想设计的，但在一个器件结构中同时实现数据擦写及寻址功能仍面临极大挑战。
　　田明亮带领团队通过边缘缺陷工程，在纳米条带结构单元中成功实现了脉冲电流诱导磁斯格明子的产生、运动及消除的全电操作，展示了原理性器件中数据擦、写及寻址三个基本功能。另外，在纳米圆盘器件中获得了单个磁斯格明子产生或湮灭引起的磁电阻跳变信号，实现了拓扑磁性材料磁斯格明子的读操作。最令人惊叹的是，这种操控所需的电流密度比传统磁畴低1～2个数量级，所需极限脉冲宽度低至2纳秒，完全满足了存储器低能耗、高速度的要求。
　　随着器件小型化和数据爆发式增长对高速度、低功耗器件的需求日益迫切，田明亮及其团队在新型拓扑磁结构和高迁移率拓扑电子材料方面的研究，正为我们打开一扇通向未来信息存储技术的大门。也许在不久的将来，我们使用的计算机、手机等设备中，就会有着基于磁斯格明子的存储器，让我们能够以更低的能耗、更快的速度处理海量数据。而这一切，离不开像田明亮老师这样默默耕耘的科研工作者们的智慧和汗水。
　　纵使科研道路充满无限难题与挑战，但田明亮老师的目光始终盯着未来：“我们希望这些基础研究最终能够转化为实际应用，为解决国家在信息存储领域的重大需求贡献力量。”
　　（全媒体记者 许鸿儒 黄文静）