通过控制这种状态，研究人员可以开发出更智能、可重新配置且节能的设备，使其像大脑一样运作。
巴塞罗那自治大学（UAB）的研究人员成功创造了一种新型磁态，即磁离子涡旋（或“涡态”）。相关研究成果已发表于《自然·通讯》杂志，表明在正常的室温条件下，纳米尺度上的磁控性能达到了前所未有的水平。这一成果可能为下一代磁技术的发展铺平道路。
随着大数据的不断增长，信息技术的能源需求急剧上升。在大多数系统中，数据是通过电流存储的，但这一过程会产生多余的热量并浪费能源。一个更有效的方法是通过电压而非电流来控制磁存储。磁离子材料通过电压极性的变化使离子插入或移除，从而能够调整自身的磁性，使这种方法成为可能。迄今为止，该领域的研究主要集中在连续薄膜上，而非解决对密集数据存储至关重要的纳米级“位”。
在极小的尺度上，会出现一些在大尺度系统中观察不到的独特磁性行为。其中一个例子就是磁涡旋，这是一种微小的漩涡状磁性模式。这些结构在现代磁性数据记录中发挥着重要作用，还具有生物医学应用。然而，一旦材料中形成涡旋态，通常就很难对其进行修改，或者需要消耗大量能量才能进行修改。
结合磁离子与涡旋
来自巴塞罗那自治大学（UAB）物理系的研究人员与来自西班牙科学研究中心（CSIC）先进材料研究所（ICMAB）、ALBA同步加速器以及意大利和美国研究机构的科学家们合作，提出了一种结合磁离子学和磁涡旋的新解决方案。研究人员通过实验开发了一种新的磁态，并将其命名为“磁离子涡旋”或“涡态”。这一新物体可以实现对纳米点（纳米级尺寸的点）磁性的“按需”高精度控制。这是通过施加电压来提取氮离子而实现的，从而能够以极低的能耗实现高效控制。
“这是一个迄今为止尚未探索的纳米级物体，”研究负责人、加泰罗尼亚研究机构（ICREA）在巴塞罗那自治大学（UAB）物理系的研究人员乔迪·索尔特解释道。“人们对控制纳米级磁态的需求很大，但令人惊讶的是，迄今为止，磁离子学的大部分研究都集中在连续材料薄膜的研究上。如果我们观察纳米级离散结构中离子位移的影响，即我们分析的‘纳米点’，我们会发现非常有趣的动态自旋构型，而这种构型是此类结构所独有的。”
这些自旋构型和涡旋的磁特性随施加电压的持续时间而变化。因此，可以通过施加电压逐渐提取离子，从最初的非磁性材料纳米点中生成不同的磁态（例如，具有不同特性的涡旋或具有均匀磁取向的磁态）。
“利用我们开发的‘涡旋子’，我们可以对磁化、矫顽力、剩磁、各向异性或涡旋子形成或湮灭时的临界场等磁性特性进行前所未有的控制。这些是在磁性存储器中存储信息的基本特性，现在我们能够通过电压激活过程以模拟且可逆的方式对其进行控制和调节，且该过程能耗极低，”UAB物理系博士后研究员、本文第一作者伊雷娜·斯帕索耶维奇解释道。“电压驱动程序无需使用电流，可防止笔记本电脑、服务器和数据中心等设备发热，并大幅减少能量损失。”
研究人员已经证明，通过精确控制电压生成的磁层的厚度，可以受控且可逆地随意改变材料的磁状态，使其在非磁状态、具有均匀磁方向的状态（如在磁铁中所发现的）以及新的磁离子涡旋状态之间变化。
模仿神经元突触行为的能力
在纳米尺度以及室温条件下对磁性特性进行此种前所未有的控制，为开发具有定制功能的先进磁性器件开辟了新途径。一旦材料合成，就可以对其功能进行定制。这为满足特定的技术需求提供了更大的灵活性。
“例如，我们设想将可重构磁离子涡旋整合到神经网络中，作为动态突触，能够模拟生物突触的行为，”Jordi Sort说道。在大脑中，神经元之间的连接即突触，具有不同的权重（强度），这些权重会根据活动和学习过程动态调整。同样，“涡旋”可以为神经形态（受大脑启发）自旋电子设备提供可调谐的神经元突触权重，这些权重体现在可重构磁化或各向异性值上。事实上，“生物神经元和突触的活动也受电信号和离子迁移的控制，这与我们的磁离子单元类似，”Irena Spasojević评论道。
研究人员认为，除了对类脑设备、模拟计算或多状态数据存储系统的影响外，涡旋还可能具有其他潜在应用，包括诊疗等医疗技术、数据安全、自旋磁计算设备（自旋逻辑）以及自旋波（磁子学）的产生。
参考文献：《伊雷娜·斯帕索耶维奇、郑马、亚历克斯·巴拉、费德里卡·塞莱加托、亚历山德罗·马尼、桑德拉·鲁伊斯-戈麦斯、迈克尔·福斯特、安娜·波劳、葆拉·蒂伯托、克里斯滕·S·布坎南和霍尔迪·索尔特所著“磁离子涡旋：电压可重构的旋转自旋模拟记忆纳米磁体”》，2025年2月26日，发表于《自然-通讯》。DOI：10.1038/s41467-025-57321-8
该研究由加泰罗尼亚研究机构（ICREA）成员、巴塞罗那自治大学（UAB）物理系Jordi Sort教授领导，UAB物理系博士后研究员Irena Spasojević为论文第一作者，参与者还包括来自同一部门的郑马（音译）、来自巴塞罗那材料科学研究所（ICMAB-CSIC）的Aleix Barrera和Anna Palau，以及来自欧洲同步辐射光源（ALBA）、意大利都灵国家计量科学研究院（INRiM）和美国科罗拉多州立大学的研究人员。该研究发表于《自然·通讯》杂志的最新一期。本研究由欧洲研究理事会（ERC）的REMINDS项目资助。
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