Vortion，一种能够模拟神经元突触的新磁性状态

物理系的研究人员设法通过实验开发了一种新的磁性状态：磁离子涡旋或“涡旋”。这项发表在《自然通讯》上的研究允许在纳米级和室温下对磁性进行前所未有的控制，并为先进磁性设备的开发开辟了新的前景

大数据的使用使信息技术的能源需求成倍增长。通常，为了存储信息，系统利用电流写入数据，通过加热设备来消耗功率。用电压而不是电流控制磁存储器可以最大限度地减少这种能量消耗

实现这一目标的一种方法是使用磁离子材料，通过改变施加电压的极性来添加或去除离子，从而可以操纵其磁性。到目前为止，该领域的大多数研究都集中在连续薄膜上，而不是在离散的“位”中控制纳米尺度的特性，这对高密度数据存储至关重要

此外，众所周知，新的磁现象可以在亚微米尺度上出现，而这些现象在宏观层面上是不存在的，例如磁涡旋——小漩涡状的磁结构。这些涡流在当前记录和读取磁性数据的方式以及生物医学中都有应用。然而，改变已制备材料中的涡旋状态通常是不可能的，或者需要大量的能量。

UAB物理系的研究人员与ICMAB-CSIC、ALBA同步加速器以及意大利和美国的研究机构的科学家合作，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性状态，他们将其命名为磁离子涡旋或“涡旋”。

这种新物体可以高精度地“按需”控制纳米点（纳米尺寸的点）的磁性。这是通过施加电压提取氮离子来实现的，从而允许以非常低的能耗进行有效的控制

“这是一个迄今为止尚未探索的纳米级物体，”该研究主任、UAB物理系的ICREA研究员Jordi Sort解释道。“在纳米尺度上控制磁性状态的需求很大，但令人惊讶的是，到目前为止，磁离子学的大多数研究都集中在连续材料薄膜的研究上。

”如果我们观察纳米尺度离散结构中离子位移的影响，我们分析的“纳米点”，我们会看到非常有趣的动态演化自旋配置出现，这是这些类型结构所特有的。“

这些自旋配置和涡流的磁性随施加电压的持续时间而变化。因此，通过施加电压逐渐提取离子，可以从最初非磁性材料的纳米点产生不同的磁性状态（例如，具有不同性质的涡流或具有均匀磁取向的状态）。

”通过我们开发的“涡流”，我们可以对磁化、矫顽力、剩磁、各向异性或涡流形成或湮灭的临界场等磁性进行前所未有的控制

“这些是在磁存储器中存储信息的基本特性，我们现在能够通过电压激活过程以非常低的能耗以模拟和可逆的方式控制和调整磁存储器，”UAB物理系博士后研究员、该论文的第一作者Irena Spasojević解释道

“电压驱动程序，而不是使用电流，可以防止笔记本电脑、服务器和数据中心等设备发热，并大大减少能量损失。”

研究人员已经证明，通过精确控制电压产生的磁性层的厚度，材料的磁性状态可以在非磁性状态、具有均匀磁取向的状态（如磁体中的磁性取向）和新的磁离子涡流状态之间以可控和可逆的方式随意变化

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能够模拟神经元突触的行为

这种在纳米级和室温下对磁性的前所未有的控制水平为开发先进的磁性设备开辟了新的前景，这些设备的功能可以在材料合成后进行定制。这提供了满足特定技术需求所需的更大灵活性

Sort说：“例如，我们设想将可重构的磁离子涡旋整合到神经网络中作为动态突触，能够模仿生物突触的行为。”在大脑中，神经元之间的连接，即突触，具有不同的权重（强度），可以根据活动和学习过程动态适应

同样，“涡流”可以为神经形态（脑启发）自旋电子设备提供可调的神经元突触权重，反映在可重构的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到电信号和离子迁移的控制，类似于我们的磁离子单位，”Spasojević说

研究人员认为，除了在脑启发设备、模拟计算或多态数据存储系统中的影响外，涡流还可能有其他潜在的应用，包括治疗技术、数据安全、磁自旋计算设备（自旋逻辑）和自旋波的产生（磁振子） More information: Irena Spasojevic et al, Magneto-ionic vortices: voltage-reconfigurable swirling-spin analog-memory nanomagnets, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-57321-8

Journal information: Nature Communications