科学网—Wiley女性科学家奖访谈丨于秀珍：先进显微镜技术如何塑造自旋电子学的未来-Wiley开放科研的博文
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2026-11-5 09:31
| 系统分类: 科研笔记
传统电子设备利用电荷的运动来传递信息。自旋电子学利用电子的另一个特性——自旋——来做同样的事情。
日本理化学研究所新兴物质科学中心电子态显微镜研究小组主任于秀珍，研究了电子自旋在材料中排列的不寻常方式。2010年，她成为首位用电子显微镜直接观察到单个斯格明子（skyrmion，一种电子自旋的螺旋状排列）的人，这一里程碑为成像更复杂的三维自旋构型（包括torons和hopfions）打开了大门。了解这些模式的形成和行为方式，可能催生比当今电子设备更小、更快、更节能的下一代设备。
于秀珍是2026年Wiley女科学家奖的获得者，她解释了先进的显微镜技术可以揭示有关磁结构的哪些信息，以及这些见解如何塑造未来的自旋电子技术。
Q1 ：为什么研究磁性结构很重要？您如何研究它们？
研究与电子自旋状态密切相关的磁性结构对于理解材料的磁性至关重要。这种基于自旋的器件有望实现更高的效率、更低的功耗，以及超越传统电子设备的新功能。
我们结合理论分析和真实空间成像技术来研究磁性结构，以可视化材料中的磁性结构。这些方法使我们能够确定自旋是如何排列、如何相互作用，以及这些相互作用是如何产生材料的宏观磁性行为。
Q2 ：对于一个从未听说过斯格明子的人来说，您会如何解释它？您还记得第一次看到它的那一刻吗？
斯格明子最初在理论上被预测为磁性材料中的一种涡旋状自旋织构。在实空间观测成为可能之前，已通过小角中子衍射在锰硅合金中识别出一种六边形斯格明子晶格。尽管该技术无法直接可视化这种扭曲的构型，但这些实验结果强烈促使我在实际材料中进行斯格明子的真实空间成像。由于斯格明子的理论概念已经充分确立，一旦我们最终看到它们，解释观察到的结构并不困难。
我第一次可视化斯格明子的那一刻确实很令人兴奋。2009年，我使用洛伦兹透射电子显微镜，在25K的超低温下，在材料Fe0.5Co0.5Si（因其电子自旋的螺旋图案而被称为螺旋磁体）中观察到了纳米级斯格明子。当我对样品施加一个小磁场时，显示器上出现了一个微小的亮点。随着我逐渐增大磁场，更多亮点出现，它们自发地排列成美丽的六角形晶格。亲眼目睹斯格明子晶格的形成，真是令人惊叹。
Q3 ：您的团队现在可以在三维中观察磁性结构。您现在能看到哪些以前看不到的东西？
我们花了数年时间开发了一种基于微分相位衬度显微术的新型电子断层扫描方法。这项技术使我们能够以纳米级分辨率绘制磁性材料内部的本征三维矢量场。我们可以可视化以前在实空间中无法观察到的复杂三维磁性结构，如斯格明子和反斯格明子（antiskyrmion）弦、表面磁涡旋及其他拓扑自旋织构。这些自旋结构长期以来在理论上已被预测，但直到现在才被直接成像。
Q4 ：您觉得哪种磁性结构最迷人，为什么？
在我们研究的各种拓扑磁结构中，我发现hopfions最迷人。它们拥有复杂的三维自旋连接拓扑，无法通过二维成像捕捉。
我们的断层扫描方法使我们能够在三维中重建这些内部自旋排列，揭示以前完全无法获取的细节。看到这些复杂的拓扑织构从真实材料中出现，为磁性的基本物理学提供了新的见解，并为未来的自旋电子学应用开辟了令人兴奋的可能性。
hopfion的可视化，“一种无法通过二维成像捕捉的复杂三维自旋连接拓扑结构”。图片由于秀珍提供。
Q5 ：您最近的研究工作表明，热可以将斯格明子转化为拓扑上相反的对应物，即反斯格明子，为什么这一发现很重要？
这一发现之所以很重要，因为它表明，除电流之外，热流也可以驱动斯格明子和反斯格明子之间的转化。这意味着磁性织构的拓扑结构可以用极少的能量来控制。
通过热刺激调节斯格明子-反斯格明子转换的能力，为操纵拓扑自旋结构开辟了一条新途径。这表明未来的自旋电子器件可以利用热流运行，从而可能实现对电子自旋构型的节能控制。
Q6 ：在斯格明子可用于真实设备之前，需要了解哪些内容？您认为它们未来可能有哪些应用？
在斯格明子可用于真实设备之前，我们需要了解它们对温度变化、缺陷和其他干扰的承受能力，它们如何响应电流、磁场和热等外部刺激而运动，以及它们能否以可控且节能的方式可靠地产生、操纵和擦除。
这些因素决定了斯格明子能否在存储设备等实际技术应用中充当实用的信息载体——在这些应用中，其小尺寸和拓扑保护可实现高密度、低功耗的数据存储。它们也可能在物理储备池计算中发挥重要作用，其中复杂的自旋织构可用于神经形态或类脑信息处理。
Q7 ：接下来您想探索什么？
我们希望将时间分辨洛伦兹透射电子显微镜与微波激发相结合，研究拓扑自旋织构的动力学，并探索与之相关的量子现象。
Q8 ：作为一名女性科学家，您面临过哪些挑战？在您的职业生涯中，您是否看到这些挑战发生变化？
我们持续面临的挑战之一是获得足够的研究经费，以及平衡工作和家庭生活。根据我的经验，这些挑战在我的职业生涯中并没有发生显著变化。
Q9 ：您会给想成为科学家的年轻女性什么建议？
我的建议是，在面临重大人生事件时——例如生育和抚养幼儿——不要放弃研究生涯。相反，要努力找到更高效工作的方法，并保持对研究的热情。平衡家庭于科学事业可能具有挑战性，但我鼓励年轻女性坚持自己的目标，继续前进。
2026年Wiley女性科学家奖于3月在中国科学院物理研究所举行，汇集了顶尖科学家和学者，表彰了九位杰出女性研究人员在推动创新方面所作出的卓越贡献与不懈努力。Wiley女性科学家奖由期刊Advanced Physics Research支持设立，旨在激励下一代研究人员，并支持一个更加包容和多元的研究社区。
*封图由于秀珍提供。
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