4月15日，記者從南開(kāi)大學(xué)獲悉，該校物理科學(xué)學(xué)院教授付學(xué)文聯(lián)合國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)，基于自主研制的場(chǎng)發(fā)射4D超快透射電子顯微鏡，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了在萬(wàn)億分之一秒尺度，精準(zhǔn)地翻轉(zhuǎn)材料中納米尺度微型磁旋渦的旋轉(zhuǎn)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(chǔ)與計(jì)算器件奠定了關(guān)鍵物理基礎(chǔ)。相關(guān)成果于4月2日發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·納米技術(shù)》上。

我們?nèi)粘Ｊ褂玫氖謾C(jī)、電腦，其存儲(chǔ)信息的基本原理，是利用材料中磁矩方向的“上”或“下”來(lái)代表“0”和“1”。但隨著數(shù)據(jù)量爆炸式增長(zhǎng)，這種傳統(tǒng)方式正逼近物理極限。科學(xué)家們將目光投向了一種被稱為“拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)”的微觀磁渦旋。這些微小的磁結(jié)構(gòu)像一個(gè)個(gè)微型旋渦，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、能耗低、可同時(shí)利用多個(gè)物理狀態(tài)存儲(chǔ)信息等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是突破當(dāng)前技術(shù)瓶頸的理想方案之一。

然而，如何在不破壞這些微觀磁結(jié)構(gòu)的前提下，對(duì)它們實(shí)現(xiàn)超快、精準(zhǔn)的操控，一直是困擾全球科學(xué)界的核心難題。

“傳統(tǒng)調(diào)控方式，無(wú)論是磁場(chǎng)、電流還是電場(chǎng)，都需通過(guò)偏移渦旋核以低頻進(jìn)動(dòng)的方式來(lái)翻轉(zhuǎn)拓?fù)渥杂啥龋粌H速度慢，還容易破壞自旋拓?fù)渫暾裕瑢?dǎo)致調(diào)控失序、可控性差。”付學(xué)文介紹。

付學(xué)文團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新策略：在施加一個(gè)微小面外磁場(chǎng)的同時(shí)，用飛秒激光脈沖照射材料。飛秒激光的脈沖時(shí)間極短——1飛秒僅為1秒的一千萬(wàn)億分之一。這種激光能瞬間產(chǎn)生熱量，“軟化”磁旋渦內(nèi)部的能量壁壘，使自旋方向變得容易調(diào)整；而同步施加的微小磁場(chǎng)則像一個(gè)精準(zhǔn)的“舵手”，引導(dǎo)所有自旋在萬(wàn)億分之一秒尺度（皮秒級(jí)）一致地完成翻轉(zhuǎn)。

“過(guò)去用磁場(chǎng)或電流調(diào)控，不僅速度慢，還容易破壞磁旋渦的完整結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致失控。”付學(xué)文解釋，“我們的新方法在速度和保真度上實(shí)現(xiàn)了量級(jí)提升，整個(gè)過(guò)程是非接觸式的，對(duì)磁結(jié)構(gòu)本身沒(méi)有損傷。”

相較于以往需要破壞拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或速度較慢的電流、磁場(chǎng)調(diào)控方法，這種非接觸式的光磁協(xié)同調(diào)控策略在速度與保真度上實(shí)現(xiàn)了量級(jí)提升。

更令人驚喜的是，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)精細(xì)調(diào)節(jié)激光能量和磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這種翻轉(zhuǎn)行為的任意調(diào)控：可以讓它確定性地翻轉(zhuǎn)、確定性地不翻轉(zhuǎn)，或者以可控概率隨機(jī)翻轉(zhuǎn)。這意味著該技術(shù)能夠靈活適配不同類型的未來(lái)計(jì)算架構(gòu)，例如模仿人腦的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，或是利用隨機(jī)性進(jìn)行高效運(yùn)算的概率計(jì)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(zhuǎn)，模擬出類似量子計(jì)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(kāi)辟了一條全新路徑。

這些突破性成果的取得，離不開(kāi)一臺(tái)核心設(shè)備——研究團(tuán)隊(duì)自主研制的新一代場(chǎng)發(fā)射4D超快透射電子顯微鏡。這臺(tái)儀器具備200飛秒的時(shí)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(tái)達(dá)到200飛秒時(shí)分辨率的同類設(shè)備之一，相當(dāng)于給科學(xué)家裝上了一雙能同時(shí)看清極短時(shí)間內(nèi)和極微小空間里物質(zhì)變化的“眼睛”。正是依靠這臺(tái)自主研制的先進(jìn)科學(xué)儀器，付學(xué)文團(tuán)隊(duì)近年來(lái)取得了一系列原創(chuàng)成果。

付學(xué)文表示，團(tuán)隊(duì)正致力于將這項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)向?qū)嶋H功能器件轉(zhuǎn)化，爭(zhēng)取在未來(lái)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)中搶占先機(jī)。