具有環形磁場的永磁體是否存在?

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作者:Dr.Zhan


先針對題目里的回答存在。

如圖就是一種微觀尺度下的情況。

磁投射軟X射線顯微鏡下的不同方向的環形磁結構圖(a)面內(b)面外。(c)不同狀態示意圖。[1]

微觀上,我們可以把假設由一個一個微小像磁針一樣的“磁矩”組成。當磁性材料的尺度降低到納米量級時,由于尺寸效應的限制,磁結構的排列會出現一些奇異的新結構。

特別的在納米厚度的薄膜、薄片或者圓盤之中,由于形狀的約束以及各種能量相互競爭而產生封閉的磁疇結構,會出現一種特殊的磁結構-磁渦旋(“Magnetic vortex”)。納米盤的磁化有兩個部分組成,核心部分的具有界面向上和向下兩種不同的極性,以及整體旋轉的方向。當變成環形時,普通意義上的“南極”、“北極”其實已經不重要。此時用來標記的是旋轉方向(手性)“順時針”和“逆時針”。渦旋核的不同極化方向和渦旋的手性都可以作為信息的載體,對應于比特的“0”或者“1”,理論上渦旋可以具有4個邏輯值。[2]

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從上到下分別對應順時針極性向上,逆時針極性向下,逆時針極性向上,順時針極性向下

除了渦旋(vortex)之外,在納米磁性材料中還存在麥紉(meron)、磁泡(bubble)和斯格米子(Skyrmion)等多種環形相關的結構。這些結構由于其拓撲結構具有拓撲保護的特性而被認為可以在未來磁存儲、磁邏輯等領域具有重要的應用。[3]


下圖就是其中一種潛在應用,在2004年由IBM公司的Stuart Parkin領導的技術團隊開發的磁賽道(racetrack memory)存儲技術。[4]

不同于傳統的硬盤,采用計算機尋找所需要的數據,計算機告知地址后,磁頭移動尋找的模式,賽道存儲器采用讓磁頭不同,數據移動的方式。同時賽道也不通過改變磁性實現數據的讀寫,而是利用電流驅動數據的移動。上圖中磁頭在U型最下端的位置,兩端注入電流以后,實現操縱數據。下圖的一個個不同狀態的斯格明子可以作為數據的“0”和“1”;谶@種技術有望實現低能耗高密度高速的下一代存儲器件。[5]

參考

  1. ^Im M Y, Fischer P, Yamada K, et al. Symmetry breaking in the formation of magnetic vortex states in a permalloy nanodisk[J]. Nature communications, 2012, 3: 983.

  2. ^Uhlí? V, Urbánek M, Hladík L, et al. Dynamic switching of the spin circulation in tapered magnetic nanodisks[J]. Nature nanotechnology, 2013, 8(5): 341.

  3. ^張志東. 磁性材料的磁結構, 磁疇結構和拓撲磁結構[J]. 物理學報, 2015, 64(6): 67503-067503.

  4. ^https://www-31.ibm.com/ibm/cn/ibm100/icons/racetrack/index.shtml

  5. ^Uhlí? V, Urbánek M, Hladík L, et al. Dynamic switching of the spin circulation in tapered magnetic nanodisks[J]. Nature nanotechnology, 2013, 8(5): 341.

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