湖南定昌电子关注天空子研究，磁性准粒子或改变存储架构
当前，数字社会对算力与存储容量的需求呈指数级增长，与此同时，能耗与资源消耗的压力也与日俱增。传统微电子技术在功耗方面的短板日益突出，倒逼全球科研机构另辟蹊径。在众多新兴路线中，以天空子（Skyrmion）为代表的自旋电子学（Spintronics）正异军突起，被视为Zui具潜力的颠覆性方向之一。
自旋电子学之名脱胎于传统电子学——后者以电流为信息载体，而自旋电子学则额外利用电子的"自旋"（即磁矩）来处理信息。自旋电子器件由磁性材料构成，无需持续供电即可保持信息，磁化状态的切换速度可达约10⁻¹⁵秒，所需能量仅为数阿焦（10⁻¹⁸焦耳）量级。与传统电子器件相比，这一优势堪称数量级的跨越。
什么是天空子：磁性"拓扑结"如何天然抗干扰
天空子并非单一基本粒子，而是由数百个原子组成的集体磁性结构——这些原子的自旋按特定方式排列，整体呈圆盘或微小柱体形态，却像单个粒子一样整体运动，因此被称为"准粒子"。其尺寸仅有数纳米，是目前已知Zui小的磁性系统之一。
天空子Zui核心的优势在于其"拓扑保护"特性。这一概念源自数学中的拓扑学：正如救生圈可以变形为茶杯（两者均只有一个孔），却无法在不撕裂的情况下变形为实心球，天空子的自旋构型同样无法在不耗费能量的情况下被抹除。可以将其理解为材料磁化中的一个"结"——解开这个结需要消耗一定能量，这使天空子成为天然稳定的信息存储单元，非常适合编码比特（Bit）。
从微观结构看，天空子由一个中央自旋（如向上）与周围逐渐翻转的自旋共同构成，形成圆形几何结构。沿天空子直径穿越时，自旋完成完整的360度旋转，这正是其拓扑性质的来源。根据产生条件的不同，天空子可分为两类：在三维块体材料中出现的螺旋型"布洛赫天空子"（Bloch-Skyrmion），以及在超薄薄膜中出现的刺猬型"奈尔天空子"（Néel-Skyrmion）；两种类型还各有左旋与右旋之分，即不同的"手性"（Chiralität）。
从极低温到室温：二十年实验突破历程
天空子的理论预言可追溯至20世纪60年代，英国核物理学家托尼·斯基尔米（Tony Skyrme）Zui早提出量子场中存在此类稳定构型。1989年，乌克兰科学院的阿列克谢·博格丹诺夫（Alexei Bogdanov）与季米特里·雅布隆斯基（Dimitri Yablonsky）从数学上证明，当材料晶体结构不具有中心对称性时，"季亚洛申斯基-莫里亚相互作用"（Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung，简称DMI）便会出现，从而抑制天空子的坍缩。
然而，实验验证姗姗来迟。直至2009年，慕尼黑工业大学（Technische Universität München）的塞巴斯蒂安·米尔鲍尔（Sebastian Mühlbauer）团队，才在将三维材料冷却至29开尔文（约零下244摄氏度）、施加0.16特斯拉强磁场的条件下，首次在实验中观测到布洛赫天空子。两年后，基尔大学（Universität Kiel）的斯特凡·海因策（Stefan Heinze）团队在单原子厚度的铁磁薄膜中观测到了奈尔天空子。
真正的转折点出现在2016年：法国格勒诺布尔自旋电子学实验室（Spintec）的奥利维耶·布耶（Olivier Boulle）团队，在超薄钴薄膜中首次于室温、零外加磁场条件下观测到稳定天空子。这一突破在全球范围内点燃了自旋电子学研究的热情。同年，巴黎-萨克雷大学（Université Paris-Saclay）的康斯坦斯·莫罗-吕谢尔（Constance Moreau-Luchaire）与文森特·克罗斯（Vincent Cros）团队，通过将十层铱-钴-铂（Iridium-Kobalt-tin）薄膜叠加，制备出直径仅40纳米、室温下稳定的天空子，进一步推动了这一领域的发展。
目前，研究人员已能调控天空子的大小、稳定性和手性：通过调节各薄膜层的厚度及界面氧化程度，可以对上述参数进行定制。典型的器件结构由三层叠加而成——底部为重金属层、中部为磁性金属层、顶部为氧化层，重金属层的选取决定了其电学与磁学性质如何驱动上方天空子的运动。
从存储到计算：天空子器件的逻辑操作与单粒子控制
天空子不仅可用于存储，还可承担计算功能，这与传统计算机架构的逻辑分离形成鲜明对比——传统计算机中，处理器与存储器之间的数据搬运本身就消耗大量能量。生物启发型天空子器件可像大脑神经元一样就地存储与处理信息，有望从根本上化解这一瓶颈。
在速度方面，天空子在电流驱动下可达到每秒数百米的运动速度。2024年，布耶团队更创下约每秒一千米的纪录。在"竞赛轨道"（Racetrack）电路中，天空子沿一维路径运动，其存在代表逻辑"1"，缺失代表"0"，由此实现高速信息传输与高效存储。2018年，阿尔伯特·费尔（Albert Fert）与文森特·克罗斯团队进一步证明，单个天空子的通过可被电学方式检测，为信息读出提供了可行方案。
基于形状各异的电路，天空子还可实现逻辑运算。例如，逻辑"或门"（ODER-Gatter）可通过两条路径上天空子的汇聚来实现：若路径A或B（或两者）中有天空子，汇合后输出天空子（比特1）。2022年，韩国标准科学研究院（Koreanisches Forschungsinstitut für Standards und Wissenschaften）的黄灿勇（Chanyong Hwang）团队还开发出基于天空子的晶体管原型。
而Zui具前景的突破，来自对单个天空子的控制。研究人员通过在垂直于磁性薄膜平面的方向施加栅极电压（Gate-Spannung），改变DMI的符号，成功将右手性奈尔天空子转变为左手性天空子（反之亦然），从而使其运动方向发生逆转。与传统电流驱动"一刀切"式操控不同，栅极电压可局部施加，实现对选定单个天空子的定向控制，而不影响其他粒子——这正是复杂逻辑电路所必需的基础能力。
展望未来，研究者的目光已延伸至三维拓扑准粒子，如"茧形子"（Kokon）和"霍普菲子"（Hopfion）。这些结构充分利用三维空间，理论上可实现更高的信息密度。对于正在积极布局下一代存储与先进封装技术的产业界而言，天空子提供了一条兼顾高密度、低功耗与高速运算的全新技术路径。把握这一前沿方向的演进节奏，将是在未来半导体赛道中抢占先机的关键所在。