像水手和探险家一样，物理学家知道坚固结的力量。

一些物理学家将他们对新一代数据存储的希望与称为skyrmions的微小结结构联系起来，这些结构可以在磁性材料中形成。磁性skyrmions令人难以置信的微小和难以撤消，可以帮助人类对更小的电子产品的渴望。

在传统的硬盘驱动器上，存储数据的磁区大约是最小的skyrmions的10倍。从直径纳米到数百纳米，skyrmions“可能是最小的磁系统......可以想象或可以在自然界中实现，”法国Palaiseau的UnitéMixtede Physique CNRS / Thales的物理学家Vincent Cros说。

更重要的是，skyrmions可以轻松地穿过材料，由电流推动。磁性结的灵活性表明，在计算机中存储数据的skyrmions可以穿梭到传感器上，该传感器会在skyrmions经过时读取信息。相比之下，传统的硬盘驱动器通过将机械臂移动到旋转盘片上的适当区域来读取和写入数据(SN：10/19/13，第28页)。那些运动部件往往很脆弱，任务减慢了数据召回速度。科学家们希望有朝一日能够制造出更耐用，更快速，更小巧的小玩意儿。

然而，有一件事让人眼花缭乱：直到最近，它们才能在寒冷的天气中创造和控制。当固态物理学家Christian Pfleiderer及其同事首次报道磁性skyrmions的检测时，在2009年的“ 科学”杂志中，使用该结是不切实际的，需要非常低的温度约30开尔文(-243°C)。慕尼黑技术大学的Pfleiderer说，这些都是“你说的条件，'这对任何人都没用”。

Skyrmions终于摆脱了寒冷，尽管它们很挑剔且难以控制。现在，科学家们正在努力解决扭结问题，以创造具有所有所需特征的融化出来的skyrmions。与此同时，研究人员正在追逐新的种类，这可能更适合数据存储。Pfleiderer说，skyrmion领域已“开始发展自己的生活”。

磁铁中的记忆

在磁性材料中，例如铁，每个原子就像一个微小的条形磁铁，有自己的北极和南极。这种磁化来自自旋，即原子电子的量子特性。在一个铁磁体中，一个像冰箱上的杂货清单那样的标准磁铁，原子的磁极指向同一方向(SN Online：5/14/12)。

居住在这种磁性栖息地内的Skyrmions由原子团组成，其磁极以螺旋状排列。这些磁化螺旋破坏了磁体中原子的其他有序排列，就像新梳理头发中的牛皮一样。在一个skyrmion内，原子极的方向扭曲，直到中心的磁化指向外部磁化的相反方向。这种扭曲难以消除，就像一个强大的结(SN Online：10/31/08)。因此，skyrmions不会自发消失 - 这是长期数据存储的一个优势。

使用各种结来存储信息具有悠久的历史。古印加人使用khipu，一种打结的绳索系统，以保存记录或发送信息(SN Online：5/8/17)。在一个更现代的例子中，Pfleiderer说，“如果你不想忘记某些事情，那么你就会在你的手帕上留下一个结。”Skyrmions可以延续这一传统

Skyrmions是一种“准粒子”，即材料中的扰动，其行为类似于单个粒子，尽管它是许多单个粒子的集合体。尽管skyrmions是由原子组成的，它们在材料中保持静止，但是通过从一组原子滑动到另一组原子，skyrmions可以像真正的粒子一样四处移动。汉堡大学的凝聚物质物理学家克尔斯滕·冯·贝格曼说：“磁性只是扭曲，因此出现了飙升。”

实际上，首先在粒子的背景下提出了skyrmions。英国物理学家托尼·斯凯尔姆(Tony Skyrme)将他的名字用于结，他在大约60年前提出，中子和质子等粒子可以被认为是一种结。在20世纪80年代后期，物理学家意识到支持Skyrme的想法的数学也可以代表固体材料磁化的结。

研究人员后来提出，这种skyrmions可用于未来数据存储方案。一连串的skyrmions可以编码计算机内的位，存在表示1的skyrmion和表示0的缺席。

特别是，在2013年的自然纳米技术中，Cros及其同事提出了所谓的“赛马场”记忆，特别是skyrmions可能是理想的。在赛道设备中，信息保持的速度会沿着磁性纳米带加速，就像印第安纳波利斯赛道上的汽车一样。

几年前，固态物理学家Stuart Parkin提出了赛道概念的第一版。在2008年的“ 科学”杂志上，Parkin及其同事展示了一种赛道记忆的开始，这种赛道记忆不是基于skyrmions，而是基于称为畴壁的磁性特征，它将材料中具有不同磁化方向的区域分开。这些畴壁可以使用电流沿着轨道推动到传感器，传感器将读出其中编码的数据。为了最大限度地利用可用空间，赛道可以直接向上和向下循环(就像狂野的马里奥赛车骑行)，允许3-D内存可以包装比平板芯片更多的数据。

“当我多年前第一次提出[赛道记忆]时，我认为人们非常怀疑，”现在德国哈勒马克斯普朗克微结构物理研究所的帕金说。今天，这个想法 - 无论有没有出现 - 已经流行起来。Racetrack记忆正在实验室进行测试，尽管该技术尚未在计算机中使用。

为了使这样的系统与skyrmions一起工作，科学家需要使结在室温下更容易纠结。对于基于skyrmion的赛道记忆与当前技术竞争，skyrmions必须很小并且通过材料快速轻松地移动。并且它们应该易于创建和破坏，使用像电流这样简单的东西。这些都是崇高的要求：在一项要求上向前迈进有时会导致其他要求退步。但科学家们正在接近控制磁性奇迹。

加热

Pfleiderer及其同事发现的第一批磁性物质出现在具有不对称结构的晶体中，这些晶体在相邻原子之间产生扭曲。只有某些材料具有这种易于使用的不对称结构，限制了研究准粒子或在温暖条件下诱导它们形成的可能性。

很快，物理学家开发出一种通过在薄层中沉积材料来人为地创建不对称结构的方法。不同层中原子之间的相互作用可以引起原子取向的扭曲。“现在，我们可以突然使用普通的磁性材料，巧妙地将它们与其他材料结合起来，并使它们在室温下工作，”伊利诺伊州Argonne国家实验室的材料科学家Axel Hoffmann说。

科学家们首次在铱顶部的一个原子厚的铁层中生产出这种薄膜，但温度仍然非常低。2011年在“ 自然物理学”杂志上报道，那些薄膜出现需要冷却的11开尔文(-262°C)。这是因为铁薄膜失去了超过一定温度的磁性，与该研究合着的冯伯格曼以及汉堡大学的纳米科学家Roland Wiesendanger及其同事说。但较厚的薄膜可以在较高温度下保持磁性。因此，“一个重要的步骤是增加磁性材料的数量，”冯伯格曼说。

为了变得更厚，科学家们开始堆叠各种磁性和非磁性材料的薄片，就像一个带有重复层肉，奶酪和面包的俱乐部三明治。Cros及其同事在堆叠多层铱，铂和钴时创造了第一个小于100纳米的室温skyrmions，研究人员于2016年5月在Nature Nanotechnology报道。

通过调整材料类型，层数和厚度，科学家们可以为设计师设计出具有理想特性的skyrmions。当新加坡南洋理工大学的凝聚态物理学家Christos Panagopoulos及其同事摆弄着铱，铁，钴和铂的层组成时，各种各样的物种出现了。将导致结进来大小不同，有些人比其他人更稳定，研究人员发表在自然材料在九月2017年

虽然现在科学家们知道如何制造室温，但是直径为几十到几百纳米的耐热漩涡往往太大而不是非常有用。“如果我们想要与当前最先进的技术竞争，我们必须选择尺寸小于100纳米的skyrmionic对象，”Wiesendanger说。目的是将温暖的skyrmions降低到几纳米。

有些人试图缩短房间温度下降，其他人正在加快速度，以便快速阅读和写入数据。在2016 年Nature Materials报道的一项研究中，室温下的skyrmions达到了每秒100米(每小时约220英里)的最高速度。恰恰相反，这是围绕NASCAR驱动程序实现的最快速度。德国约翰内斯古腾堡大学(Johannes Gutenberg University Mainz)的凝聚态物理学家MathiasKläui表示，研究结果显示，skyrmion赛道可能确实有效。“从根本上说，它在室温下是可行的。”但是为了与可能达到700米/秒以上的速度超过700毫米/秒的领域进行竞争，人们仍然需要打击天然气。

尽管取得了进展，但还有一些挑战需要解决。一个可能的问题：skyrmion的旋转模式使其表现得像旋转物体。“当你有一个旋转物体移动时，它可能不想直线移动，”霍夫曼说。“如果你是一个糟糕的高尔夫球手，你就会知道这一点。”Skyrmions不会像电流一样朝着同一方向移动，而是与它成一个角度。在赛道上，skyrmions可能撞墙而不是停留在他们的车道上。现在，研究人员正在寻找能够保持正轨的新型物种。

新的转折

正如不止一种打结方式一样，有几种不同类型的skyrmions，形成各种形状的磁性扭曲。最着名的两种类型是Bloch和Néel。Bloch skyrmions存在于厚厚的不对称晶体中，其中首先发现了skyrmions，并且Néelmyrmions倾向于出现在薄膜中。

“你得到的skyrmions类型与材料的晶体结构有关，”德国德累斯顿Max Planck化学物理研究所的物理化学家Claudia Felser说。Felser研究Heusler化合物，这种材料具有特殊的特性，特别适用于操纵磁性。Felser，Parkin及其同事在这种材料的薄层中发现了一种新型的skyrmion，一种antiskyrmion。他们于2017年8月在自然报道了这一发现。

Parkin说，Antiskyrmions可能会避免他们的亲戚面临的一些陷阱。“潜在地，他们可以用直线移动直线，而不是向侧面移动。”这种直射式滑翔可能更适合赛道计划。并且观察到的反铁动物在很宽的温度范围内都是稳定的，包括室温。Antiskyrmions也可能比其他类型的skyrmions缩小。

物理学家现在正在寻找不同领域内的skyrmions：反铁磁材料。与铁磁材料不同 - 原子全部排列其极点 - 在反铁磁体中，原子的极点指向交替的方向。如果一个原子指向上方，则其邻居指向下方。像反铁磁一样，反铁磁性的skyrmions不会与电流成一定角度拉链，所以它们应该更容易控制。Kläui说，反铁磁性物种也可能移动得更快。

Kläui说，材料科学家仍然需要找到一种具有必要特性的反铁磁材料来形成光滑的物质。“我希望这会在未来几年实现。”

找到结的利基

一旦skyrmions按照需要运行，用它们创建赛道记忆就是明显的下一步。“这项技术结合了多个世界的优势，”Kläui说 - 稳定性，易于访问的数据和低能耗要求。但Kläui和其他人承认了skyrmion赛道记忆的未来障碍。这些研究人员表示，要在存储密度，速度和成本的同时击败传统的磁性硬盘驱动器 - 更不用说新型计算机中可用的闪存 - 将会很困难。

“赛道的想法，我对此持怀疑态度，”霍夫曼说。相反，skyrmions可能在用于执行计算的设备中很有用。因为仅需要很小的电流来移动skyrmions，所以这些设备可用于创建节能的计算机处理器。

另一个想法是使用skyrmions用于生物启发的计算机，它试图模仿人类的大脑(SN：9/6/14，第10页)。由于神经细胞的大型互连网络，大脑消耗的功率与灯泡一样多，但可以执行计算机仍然无法匹配的计算。Skyrmions可以帮助科学家在实验室中实现这种计算，而不会削弱太多的力量。

北京北京航空航天大学的电气工程师赛莉和他的同事们建议， 单一的一种表现就像一个神经细胞或神经元。在人体中，神经元可以从其邻居中添加信号，逐渐在其膜上建立电压。当该电压达到一定阈值时，离子开始在波中穿过膜移动，产生电脉冲。Skyrmions可以模仿这种行为：电流将沿着轨道推动一个skyrmion，其中行进的距离充当神经元增加电压的模拟。研究人员于2017年7月在纳米技术中提出，最后到达探测器的一个skyrmion将相当于一个发射神经元。

通过结合大量模仿神经元的动画，科学家们可以创造出一种能像大脑一样运作的计算机。

关于如何使用磁旋风的其他想法不断出现。“它仍然是一个不断发展的领域，”冯伯格曼说。“未来有几个新想法。”

无论skyrmions是否会在未来的小工具中出现，漩涡都是新兴电子生态系统的一部分。自从电力被发现以来，研究人员一直关注电荷的运动。但物理学家现在正在制造一种称为自旋电子学的新型并行系统 - 其中skyrmions是其中的一部分 - 基于电子自旋的运动，即使原子具有磁性的特性(SN Online：9/26/17)。通过研究skyrmions，研究人员正在扩大他们对旋转如何穿过材料的理解。

就像一个摸索着鞋带的幼儿园学生一样，学习如何将结构旋转打结是一个学习过程。