商傳媒｜何映辰／台北報導
美國阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）研究團隊近日在自旋電子學領域取得突破性進展，成功掌握在奈米尺度控制超薄材料磁性的關鍵技術。這項發現有望克服傳統電荷式電子產品的效能限制，為迎合人工智慧（AI）時代日益增長的資料處理需求，開啟更高效、低功耗的未來電子裝置應用。
隨著資料生成量爆炸性成長，傳統智慧型手機與筆記型電腦等電荷式電子裝置已面臨效能瓶頸。有別於利用電荷來運作，自旋電子學（Spintronics）轉而利用電子本身的自旋（spin）特性，藉此實現低能耗的資料切換、非揮發性記憶體（non-volatile memory）及超高密度儲存。每個電子都擁有一種類似指南針針頭般朝上或朝下的自旋特性，並產生微小的磁場。
阿貢國家實驗室的材料科學研究員阿曼達·佩特福德-隆恩（Amanda Petford-Long）指出：「AI的發展正推動當今微電子技術達到極限。自旋電子學有望促成更快、更小、更高效的裝置，以滿足市場需求。」
這項最新研究聚焦於二維材料中磁疇（magnetic domains）的行為，探討奈米級磁鐵厚度變化如何影響磁疇的形成、切換機制，以及磁疇的整體密度與尺寸。團隊特別選用具有強磁性的范德瓦爾斯鐵磁材料 Fe3GeTe2（FGT）進行研究，這類超薄材料僅有數個原子厚度，非常適合在微小尺度下精確控制的自旋電子裝置應用。
由於 FGT 材料僅在極低溫下呈現磁性，研究人員將其冷卻至約攝氏負173度（100 K），並在冷卻過程中施加磁場以建立明確的磁性圖案。藉由低溫洛倫茲穿透式電子顯微鏡（cryogenic Lorentz Transmission Electron Microscopy, cryo-LTEM）的即時成像技術，團隊得以觀察超薄 FGT 材料中的自旋組織與磁疇形成。
研究結果顯示，材料厚度與磁場強度是控制磁性渦旋（skyrmions）大小、密度與演變的關鍵。磁性渦旋是一種穩定且移動時僅需極少能量的磁性結構。阿貢國家實驗室材料科學部門代理主任查魯達塔·帕塔克（Charudatta Phatak）表示：「如果工程師能可靠地調控磁性渦旋的大小與密度，便能開始建構長久以來所設想的自旋電子技術，例如超高密度記憶體、低功耗處理器，以及遠超出現今硬碟能力的磁性儲存。」這項研究為未來依據材料厚度與冷卻參數預測磁疇模式與行為提供了框架，在原子級薄材料中控制磁性的能力，將為能源效率高的自旋運算技術發展奠定基礎。
