德成功測量單個原子間磁耦合特性

近日，德國漢堡大學的科學家成功對單個原子間磁耦合特性進行了直接測量，其結果和于利希研究中心超級計算機的計算結果一致。原子磁性數據存儲和新型自旋電子器件的研發又邁出了重要一步。相關成果發表在近期的《自然·物理》雜志網絡版上。
　　為滿足日益小型化的電子設備和持續增長的數據流的需求，人們不斷尋找各種方法，努力減少最小存儲單元（比特）所占的空間，以生產出更大容量的數據存儲器。磁存儲技術有一個終極目標，即用單個原子的磁性方向來存儲一個比特的信息。磁性原子就像小指南針，它的磁性方向指向上或向下即可顯示為1或0。由于原子所占空間很小，因此原子存儲將有極高的存儲密度，可解決幾十年來始終存在的存儲空間問題。
　　運用現代表面物理的方法，人們已經可以在一個非常平坦的金屬表面提升一個原子比特，來作為一個原子數據存儲的模型系統。而漢堡大學早先的研究也顯示，原子比特可以用掃描隧道顯微鏡的磁涂層尖端來讀取。不過，要實現原子存儲還有很多問題需要解決，例如可能會導致數據丟失的相鄰原子比特間耦合的問題。
　　當一個傳導電子經過磁原子附近時，磁原子會影響它的自旋。當電子繼續移動穿過固體時，它的自旋極化會影響鄰近原子的磁矩方向，并產生所謂的RKKY耦合。作為RKKY變換作用的媒介，傳導電子確定了耦合的強度和特性。迄今為止，人們已可以使用簡化的理論模型來成功預測固體材料的耦合強度。根據這些模型，耦合僅與兩個磁原子的距離有關，與他們相對于晶體方向的位置無關。盡管晶體結構可能會影響方向相關性，但實驗至今未能提供直接的證據。
　　現在漢堡大學和于利希研究中心的科學家共同合作，成功對RKKY耦合的特性進行了直接測量，并與細化的模型進行了比較。在漢堡的實驗中獲取的不同間距、方向的原子比特對的磁化方向，其結果和于利希研究中心超級計算機的計算結果完全一致。它顯示了RKKY耦合與兩個原子比特方向的強相關性，是簡單的模型所無法描述的。
　　這些發現對大量單個磁原子納米結構的未來發展將有重大的實用價值。通過掃描隧道顯微鏡的尖端可將磁性原子放在一起組成近乎任意的結構。因此，通過使用RKKY耦合產生的地圖，人們可以利用定制的磁耦合來設計和實現一個納米結構。這種納米結構不僅會在未來的自旋電子器件方面顯示出十分有趣的特性，還很有希望作為量子計算機的模型系統投入使用。