数字信息磁储存的未来：斯格明子和反斯格明子

磁场中隐藏着幽灵般的形状。

它们不像闪电或光束那样由物质构成。闪电将一组电子从天空一直带到地面，而照射到你脸上的阳光则大部分是由从太阳传播数百万英里来到地球的光子组成的。

但是磁场包含了一种叫做斯格明子(skyrmion)的东西，它不同于电子和光子;斯格明子是相互环绕的磁场线组成的结。当它从一个点飘移到另一个点时，斯格明子就会从已经存在的磁力线中重生。这种磁场线结之所以能够紧密地结合在一起，是因为磁力线相互之间无法通过。所以，虽然斯格明子是无形的，并且与我们习惯思考的物体不同，但它们的行为更像是有形的东西。

物理学家称这些斯格明子为“准粒子”，他们还怀疑斯格明子可以解释像球状闪电和原子的核结构这样的奇异现象。现在，在一篇新的论文中，研究人员表明，斯格明子可以相互填充，呈现出一种全新的形状。研究人员说，这些膨胀的“斯格明子袋子”本身就是很吸引人的东西，而且这些奇怪的东西也可能对未来的计算有用。

把它们装进“袋子”里

研究小组在4月1日发表在《自然物理》杂志上的一篇论文中揭示了斯格明子袋的概念。这个研究结果依赖于幽灵准粒子和固体物质之间的一个关键相似性：反粒子。

就像质子有在相互接触时会相互湮灭的对应反质子一样，斯格明子也有反斯格明子。

“反斯格明子是所有参数都颠倒的斯格明子，”这项新研究的主要作者之一、英国伯明翰大学(University of Birmingham)物理学家戴维·福斯特(David Foster)说。

所以，如果斯格明子的磁场线指向北，反斯格明子的磁场线就指向南，反斯格明子和斯格明子是相互强烈排斥的。研究人员说，这个特质被证明是制造斯格明子袋子的关键。

“如果我拿一个斯格明子，然后把它拉伸一点，再拿一个反斯格明子，把它放在斯格明子的中心……它们就不会相互湮灭。这是一个稳定的结构，”福斯特说。

更重要的是，研究人员意识到，一旦一个斯格明子被拉伸，你就可以在里面塞进更多的反斯格明子。

福斯特说，意识到这一点之后，一个6年前提出的让斯格明子发挥作用的想法得到了实现的可能。

斯格明子存储

早在2013年，三位研究人员就在《自然纳米技术》杂志上提出了一种理论上的“斯格明子赛道存储设备”。

他们的想法是，这些小小的磁性图案可能会为计算机设计中的一个基本问题：耗电量，提供一个解决方案。

福斯特说：“一种老式的硬盘，就是那种旋转的磁盘，需要很大的能量。”

2013年研究人员提出的低功耗替代方案利用的是一个物理事实：只要非常小的电流就可以导致磁表面上的斯格明子快速移动。

这些研究人员建议，如果你拿一条长而薄的磁性材料(赛道)，并且在上面装上多个斯格明子，你就可以将数据编码到这些准粒子之间的磁性材料间隙中。例如，磁阅读器可以将斯格明子之间的长间隙解释为二进制的1，而将短间隙解释为二进制的0。

为了读取存储的数据，电流可以推动斯格明子在磁阅读器下来回移动，而将斯格明子在磁性表面来回移动只需要很少的能量，因此这个想法产生的设备可能非常高效。

不过福斯特说这个想法也存在一些基本问题：虽然斯格明子相当稳定，但它们之间的间距并不稳定。随着时间的推移，当斯格明子来回移动时，磁条上的缺陷会打乱数据。

“杂散磁场掺杂进来了，这就像出现又消失的减速带。随着这些间隙的出现和消失，斯格明子之间的间隙将会消失，”福斯特说。

斯格明子袋如何解决这个问题

福斯特说，真正有趣的是，斯格明子袋不会随着时间的推移或者在穿过磁性“减速带”的时候丢失反斯格明子。

在这项新研究中，研究人员写道，把一堆斯格明子袋放在一个赛道设备上，一台电脑就可以利用阅读器，根据每个袋里的反斯格明子粒子的数量进行编码和读取数据。

福斯特说：“我的同事们也对通过这种方式增加数据密度的想法感到非常兴奋。”

他说，传统的计算机存储只依赖于1和0，而斯格明子袋系统可以使用0、1、2、3等等。这将为更复杂的数据编码形式打开大门，与传统的二进制方法相比，这种编码方式可以在给定的空间中存储更多的信息。

液晶测试

目前还没有人能在磁条上制作出斯格明子袋，但是，在使用计算机模拟测试了这个概念之后，福斯特和他在英国的团队求助于科罗拉多大学的一组研究人员去制造已知的第一个斯格明子袋。

物理学家通常认为斯格明子是存在于磁场中的东西。但是这些粒子也可以存在于其他物质中，比如笔记本电脑和一些手机屏幕上的液晶——排列整齐的、刚性的、棒状的分子。

由实验员伊万·斯马利克领导的科罗拉多大学研究小组用精密的“光镊子”在液晶中“绘制”了斯格明子袋，实验室的一名物理学研究生Tai Jung-Shen说。

当研究人员通过显微镜观察这些斯格明子袋时，它们在晶体物质中仍然非常稳定，福斯特说，这(加上计算机模拟)有力地证明斯格明子袋在磁铁中可能也很稳定。

到目前为止，还没有人报道建造出了任何真实的赛道存储设备，更不用说依靠斯格明子袋的存储设备了，但福斯特坚称这样的设备即将问世。

他说：“我已经知道人们正在争取拨款来做这些事情。”