具有环形磁场的永磁体是否存在?

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作者:Dr.Zhan


先针对题目里的回答存在

如图就是一种微观尺度下的情况。

磁投射软X射线显微镜下的不同方向的环形磁结构图(a)面内(b)面外。(c)不同状态示意图。[1]

微观上,我们可以把假设由一个一个微小像磁针一样的“磁矩”组成。当磁性材料的尺度降低到纳米量级时,由于尺寸效应的限制,磁结构的排列会出现一些奇异的新结构。

特别的在纳米厚度的薄膜、薄片或者圆盘之中,由于形状的约束以及各种能量相互竞争而产生封闭的磁畴结构,会出现一种特殊的磁结构-磁涡旋(“Magnetic vortex”)。纳米盘的磁化有两个部分组成,核心部分的具有界面向上和向下两种不同的极性,以及整体旋转的方向。当变成环形时,普通意义上的“南极”、“北极”其实已经不重要。此时用来标记的是旋转方向(手性)“顺时针”和“逆时针”。涡旋核的不同极化方向和涡旋的手性都可以作为信息的载体,对应于比特的“0”或者“1”,理论上涡旋可以具有4个逻辑值。[2]

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从上到下分别对应顺时针极性向上,逆时针极性向下,逆时针极性向上,顺时针极性向下

除了涡旋(vortex)之外,在纳米磁性材料中还存在麦纫(meron)、磁泡(bubble)和斯格米子(Skyrmion)等多种环形相关的结构。这些结构由于其拓扑结构具有拓扑保护的特性而被认为可以在未来磁存储、磁逻辑等领域具有重要的应用。[3]


下图就是其中一种潜在应用,在2004年由IBM公司的Stuart Parkin领导的技术团队开发的磁赛道(racetrack memory)存储技术。[4]

不同于传统的硬盘,采用计算机寻找所需要的数据,计算机告知地址后,磁头移动寻找的模式,赛道存储器采用让磁头不同,数据移动的方式。同时赛道也不通过改变磁性实现数据的读写,而是利用电流驱动数据的移动。上图中磁头在U型最下端的位置,两端注入电流以后,实现操纵数据。下图的一个个不同状态的斯格明子可以作为数据的“0”和“1”。基于这种技术有望实现低能耗高密度高速的下一代存储器件。[5]

参考

  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. ^Uhlíř 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. ^张志东. 磁性材料的磁结构, 磁畴结构和拓扑磁结构[J]. 物理学报, 2015, 64(6): 67503-067503.

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

  5. ^Uhlíř 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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