【“大学堂”顶尖学者讲学计划】著名物理学家阿尔伯特·费尔教授访问北大并作学术演讲

北京大学“大学堂”顶尖学者讲学计划的邀请,国际著名物理学家、法国南巴黎大学(Université de Paris-Sud,UPS)固体物理实验室荣誉教授、2007年诺贝尔物理学奖获得者阿尔伯特·费尔(Albert Fert)于2016年4月26-27日对北京大学进行了访问。访问期间,费尔教授开展了多项交流活动,包括与北京大学副校长李岩松进行会谈、参观北京大学微电子研究所、与国际量子材料科学中心部分青年学者进行交流与讨论,并做客“北京大学百年物理讲坛”,发表题为“磁性斯格明子”的精彩演讲。费尔教授还与北京大学的部分研究生、本科生进行了亲切的座谈。本次活动由北京大学主办,北大国际合作部与物理学院承办,光华教育基金会提供资助。

4月26日下午,李岩松在临湖轩会见了费尔教授。物理学院俞大鹏院士、副院长胡永云教授与吴孝松副教授、廖志敏副教授,以及北京航空航天大学的“青年千人计划”研究员赵巍胜、于海明等参加了会见。李岩松首先代表校长林建华对费尔教授访问北京大学、开展“大学堂”顶尖学者讲学等学术交流表示热烈欢迎。李岩松简要介绍了北京大学的发展历史,以及在创建世界一流大学计划进程中开展的重点工作。费尔教授饶有兴致地询问了北京大学在未来发展规划方面的蓝图。最后,李岩松向费尔教授颁发了“大学堂”顶尖学者铜牌和证书。

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李岩松会见阿尔伯特·费尔教授

当晚,俞大鹏院士和物理学院有关研究人员与费尔教授进行了进一步的交流。参加交流的还有部分留法回国科学家,包括中科院半导体所副所长杨富华研究员,清华大学电子工程系刘泽文教授、窦唯蓓教授、赵巍胜教授、于海明教授等。主宾畅谈和交流了他们在法国留学的经历和美好回忆。俞大鹏院士回忆了他于1989-1993年在法国南巴黎大学固体物理实验室攻读博士学位时所受到的现代物理研究的熏陶,特别是经常在十字形的固体物理实验室楼顶咖啡厅中与费尔教授相遇的美好回忆。

27日上午,费尔教授在俞大鹏院士,微电子实验室负责人、高级工程师张大成的陪同下,参观了北京大学微电子工艺实验室。北京大学微电子工艺实验室由黄昆院士于1956年主持创建,是国内第一个半导体工艺实验室,2012年搬迁至全新的微纳电子学大厦。该实验室建立了包括1000平方米的超净实验室和配套的先进微纳加工设备、表征设备等,承担了众多的国家级重大研究项目和重大国防项目,培养了大批高水平微电子高端研究人才。在参观中,张大成详细地讲解了微电子工艺实验室的仪器设备、突出工作以及管理方式等,费尔教授对此非常感兴趣。

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张大成向费尔教授展示该所的高端设备与创新研究成果

参观结束后,费尔教授前往物理学院,与国际量子材料科学中心的多位青年教师,包括江颖、栗佳、孙栋、韩伟、危健、林熙等,进行了深入、热烈的学术讨论。江颖教授简要介绍了他在水分子的量子特性等方面的最新研究工作,栗佳教授介绍了他关于人工斯格明子方面的研究成果。费尔教授对物理学院青年科学家在有关磁性斯格明子、磁性相互作用的工作表现出浓厚兴趣,并与他们进行了交流。

当天下午,费尔教授作为主讲嘉宾的“北京大学百年物理讲坛”第15讲在英杰交流中心阳光大厅举行,来自北京大学、北京航空航天大学的近200位师生聆听了大师精彩的演讲。演讲开始前,物理学院院长谢心澄院士简要介绍了费尔教授的简历与主要学术贡献,并向费尔教授颁发了“北京大学百年物理讲坛”奖章及证书。

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谢心澄院士、俞大鹏院士共同向费尔教授颁发“北京大学百年物理讲坛”奖章及证书

在演讲中,费尔教授首先简单介绍了什么是磁性斯格明子(Magnetic Skyrmions),进而讨论了产生磁性斯格明子所不可或缺的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用(DMI),然后详细讲解了磁性斯格明子的应用前景及目前所面临的挑战,并以此为纽带介绍了目前的进展,包括室温下的稳定性、极小的磁性斯格明子、通过电流驱动磁性斯格明子等精彩内容。

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费尔教授在演讲中

费尔教授指出,斯格明子原是物理中的准粒子概念,后来被广泛借用,其中磁性斯格明子特指凝聚态物理中一种手型自旋结构单元,它的中心自旋取向向下,而周围取向向上,这种结构不能由铁磁态连续地变化而来,是一种拓扑保护的稳定状态。由于自旋的不同取向可以对应二进制的“0”和“1”,磁性斯格明子可以作为一种非常好的存储单元。磁性斯格明子的自旋从中心到周围需要连续过度,因此存在两种可能的状态:自旋矢量在径向连续地旋转(Néel式)和自旋矢量在垂直径向方向连续旋转(Bloch式),这两种状态由DMI矢量决定。一般来讲,界面处DMI通常会导致尼尔式磁性斯格明子,而体态DMI则可以使布洛赫式磁性斯格明子稳定存在。因此,DMI对磁性斯格明子态的存在至关重要。由于DMI的产生要求体系反演对称性破缺,因此磁性斯格明子只能存在于反演对称性被界面不对称破坏了的铁磁薄膜或没有中心反演对称性的铁磁晶体中。当DMI高于临界值时,单个磁性斯格明子态或多磁性斯格明子态将取代铁磁态成为最稳定的基态,而当DMI较弱时,磁性斯格明子态则可以由拓扑保护作为亚稳态存在。

随后,费尔教授介绍了磁性斯格明子的产生及表征。磁性斯格明子的产生需要它与一层自旋轨道耦合强度大的材料接触,这样当自旋轨道耦合层通过电流时,由于自旋霍尔效应将产生较大的自旋极化,利用电流将自旋极化的电子在某一点注入到磁性材料中,磁性材料将会感受到自旋转移扭矩。若电流大小合适,则可以做到只翻转通入电流的注入点附近的电子自旋而保留周围电子自旋不变,这就产生了一个磁性斯格明子。磁性斯格明子可以利用洛伦兹透镜进行表征,通过探测其中的磁矩方向来确定是尼尔式的还是布洛赫式的,且能够确定其位置及大小。

目前,磁性斯格明子的主要应用前景是下一代超高密度、低能耗、高稳定性的存储器件。传统的磁盘存储是固定的磁盘加上运动的磁头,由磁头去寻找需要读写的位置进而进行读写操作。磁头的寻找是宏观的机械运动,这大大限制了读写的速度。而对于磁性斯格明子来说,已经有报道称可以利用电流对磁性斯格明子进行定向驱动(50m/s),这样就产生了新的“racetrack memory”概念,即把磁头固定不动,由电流驱动磁性斯格明子运动至磁头处进行读写,再返回它们应在的存储位置。由于磁性斯格明子是微观粒子,它的运动速度可以大大超过宏观磁头的速度,进而增加效率。为了实现这种应用,费尔等自旋电子学科学家希望在以下几个方面对材料的性质进行提升:

1、界面效应。在缺少中心反演对称性的铁磁体中,只能通过自旋转移扭矩现象来驱动磁性斯格明子移动,且速度较低,因此人们普遍把希望放在了铁磁薄膜中的尼尔式磁性斯格明子上。这时,界面DMI的大小能否精细调控就显得尤为重要。而且由于薄膜的体积更小,相应的存储密度也更大、更省材料。研究表明,对于非常薄的薄膜(几个原子层),DMI的大小随着薄膜原子层数增加有比较明显的减小,这意味着需要制作由更少原子层构成的材料,这在实验室中不是特别大的问题,但对于工业界来说就比较困难。

2、为了实现超高密度,需要设法减小磁性斯格明子的直径,原则上信息单元的大小可以接近于几倍的磁性斯格明子的直径,即几十甚至十几纳米量级。已有的实验表明,即使是DMI相差不大的体系,磁性斯格明子的半径也可以相差非常多甚至2-3倍,这说明除了DMI之外,也许其他相互作用(如磁偶极相互作用)等可能也对磁性斯格明子的半径有很大的影响,其中具体的机制还需要进一步深入认识。此外,磁性斯格明子的半径可以通过垂直方向的磁场调控,较弱的磁场(50mT)就可以把磁性斯格明子的半径减小至一半左右。

3、低能耗。实验已经证明,生成一个磁性斯格明子所需的电流很小,因此单纯读写的能耗不会太高,但如何在保证磁性斯格明子运动速度不变的前提下降低操纵磁性斯格明子运动的电流仍然需要进一步的研究。

4、稳定性。由于磁性斯格明子的拓扑保护性质,低温下稳定性有一定程度的保障,但是室温下的稳定性并不是那么好,从数据存储的角度来讲还需要进一步加强。去年,有课题组报道称,观察到了室温下在磁性薄膜中的磁性斯格明子的稳定存在并可以利用电流对其进行驱动,这也为未来的应用打下了坚实的基础。

费尔教授的精彩演讲受到在场师生的热烈欢迎。短暂茶歇后,费尔教授与北大学生继续就相关问题展开座谈。座谈会由物理学院博士研究生章亮同学主持,来自物理学院、元培学院的20余位同学参加了座谈。有同学问到,磁性斯格明子是否可以用作量子计算机的计算单元。费尔教授表示,他目前不这么认为,他认为以磁性斯格明子为基础的器件去实现正常的二进制计算更加容易一些,至于能否用于量子计算机,可能还需要进一步的论证。除了专业的学术问题,同学们也就如何开展科研向费尔教授请教。对于如何选择专业的提问,费尔教授认为,每一个分支的学科都有其独特魅力,需要每个人自己去尝试,发现自己的兴趣点再去选择具体的研究方向。关于如何看待做实验与读文献的关系,费尔教授表示,读文献可以对做实验起到非常好的促进作用,很多科学概念都是在其他领域借鉴过来的,如斯格明子就是从粒子物理中借用而来。因此,一个做科研的人必须能够跟得上科技前沿的脚步。座谈会后,参会的同学们与费尔教授合影留念,费尔教授的访问活动也正式结束。

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费尔教授与座谈师生合影

学者简介:

阿尔伯特·费尔教授,法国南巴黎大学(Université de Paris-Sud,UPS)固体物理实验室(Laboratoire de Physique des Solides,LPS)荣誉教授,法国国家科学研究院(CNRS)及 Thales 公司首席科学顾问,自旋电子学的创始人之一,因发现巨磁阻(Giant Magnetoresistance,GMR)效应荣获2007年诺贝尔物理学奖。在长达50余年的研究生涯中,费尔教授在自旋电子学领域作出了诸多开创性贡献,共发表学术专著7部、超过400篇论文,他引次数近2万次,h因子为75。其中,他发表的发现巨磁阻效应的论文【GIANT MAGNETORESISTANCE OF (001)FE/(001))CR MAGNETIC SUPERLATTICES,BAIBICH,MN;BROTO,JM;费尔,A等:Physical Review Letters 61(21):2472-2475,出版年:NOV 21 1988 】被国际顶级物理学刊物《物理学评论》评为50年来他引次数最多的10篇文章之一(引用频次5631次)。目前,费尔教授仍辛勤工作在科学研究的第一线,非常关注“磁性斯格明子”等自旋电子学新的研究方面的大战,深入开展下一代自旋电子器件的理论和实验方面的研究。

专题链接:“大学堂”讲学计划

编辑:安宁

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