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與磁電共舞⸺納米磁性新發現助力半導體產業發展

40年前的人們，難以想像一台電腦能夠變成手掌般細小，全賴科研人員努力不懈地研發迷你高效的電子元件。當中磁斯格明子（magnetic skyrmion）的納米磁結構被科學家視為擁有巨大潛力的新一代數據載體。應用科學學院王鐸博士研究團隊在相關領域取得突破，透過深入研究磁斯格明子的複雜行為，提出一種產生極性斯格明子（polar skyrmion）的機制，研究成果在國際頂尖期刊《自然》（Nature）系列之《npj二維材料與應用》（npj 2D Materials and Applications）上發表，為半導體材料研發提供新的思路和基礎，有望打破半導體技術的物理極限，促使電子設備的體積和性能再進化。

納米材料與磁斯格明子

半導體是先進科技的基石，科學家善用其控制電流的特性，製作出電子零件，廣泛用於電腦、智能手機、智能家電等電子產品，成就今天的數碼生活。儘管半導體技術已達至納米水平，科學家仍著迷於探索能製作更微型、更高效能電子元件的材料。2009年，科學家發現了一種納米磁結構，稱為磁斯格明子，它獨特的自旋排列使其具備非平庸的拓撲性（指物件在特定空間內連續變換下維持不變的性質），這意味著它穩定性高，能抵抗像熱或磁場等外部影響，而且具尺寸小、易於通過電流調控等優勢，在半導體材料開發應用中展現出巨大潛力。

然而，時至15年後的今天，仍有不少難題阻礙磁斯格明子的應用，包括其磁性拓撲特徵與電極化之間的關係、極化密度的精確表現等，尚未得到較好的解決辦法，成為科學家的研究焦點。針對這些問題，王鐸博士帶領研究團隊，對一種納米級別的材料——Janus型二維磁體CrInX3（X=Se, Te）展開研究，成功突破研究瓶頸，解釋了磁斯格明子形成的微觀機制，並發現擁有更高效能的特殊斯格明子——極性斯格明子（polar skyrmion），為材料科研領域帶來新曙光。

斯格明子的組合方式可以顯著提升電腦，甚至有潛力提升未來量子電腦的資料處理速度。斯格明子具有極高的穩定性，通過其磁性來控制電的特性，確保不會丟失任何資訊，使電子元件存儲性能提高幾個級別。這項技術可以促使電子產品運行速度更快，而且功耗更低，更省電節能。

破解磁斯格明子與電極化關係之謎

王鐸博士長期致力於複雜磁性材料的理論研究，在《物理評論B輯》（Physical Review Ｂ）和《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）等頂尖期刊上發表了多項重要成果，研究工作得到廣泛認可。這次與內布拉斯加大學（University of Nebraska）、東南大學、山東高等技術研究院、烏普薩拉大學（Uppsala University）等機構合作，研究Janus二維磁體CrInX3內發生的磁斯格明子現象。

研究團隊利用先進的模擬工具，深入了解這種二維磁體在不同環境條件下的反應，包括改變磁場、溫度變化時對它的影響，為高效率和可靠性的應用提供了關鍵數據。研究發現，當磁體暴露於磁場時，尤其是當磁場垂直於材料表面時，會產生顯著的電極化，更重要的是，該體系磁形貌與電極化密度具有對應關係，並依據逆DM相互作用（Dzyaloshinskii-Moriya interaction，物理學中的一種相互作用，使兩個相鄰磁自旋傾向於垂直排布），成功解釋磁斯格明子周圍極化密度顯著減少的現象。這種相互作用揭示了特定磁場模式如何影響電的行為，從而減少磁斯格明子周圍的極化。

王鐸博士

極性斯格明子的變革性影響

在深入研究磁形貌與電極化密度關係時，研究團隊識別出一種極性斯格明子。與只帶磁性、用來存儲和傳輸信息的磁斯格明子不同，在極性斯格明子的單一結構中，同時具有磁性和自發的電極化，可以同時利用磁性和電性來實現更高效能。研究人員提出一種極性斯格明子形成的新機制，為材料科學研究開闢新的方向，同時更能促進斯格明子的產生和開發新材料，為新一代納米技術和半導體產業的發展鋪路，在未來的電子產品中發揮至關重要的作用。

在磁體CrInX3中發現的極性斯格明子，可以說是磁斯格明子的升級版，具有潛力突破目前限制，為開發新型多功能電子元件建立基礎。它可以縮小電子設備的體積，就像將一整個圖書館的書籍袖珍成一顆方糖，且能加速數據存取，相當於能瞬間翻到圖書館中一本書的任何一頁，提升各類電子設備包括智能手機、電腦的性能。

半導體產業可持續發展

這項研究的成果，有助促進半導體產業發展。根據麥肯錫公司報告預測，全球半導體產業市場銷售額到2030年將達至1兆美元，市場以每年平均6％至8％的速度增加，意味著電子產業正處於相當驚人的高幅度成長。隨著電子產品的數量增多，加上人工智能、生成式人工智能普及化，大量電腦資料運算促使電量大幅增加，也讓全球迎來能源的挑戰。

極性斯格明子技術有機會在未來的電子元件中取代傳統材料，新材料的出現有望能夠提高能效或降低能耗，讓電子設備在運行時可能消耗更少的能量，減少用電量，有助於減少碳排放，降低電子產品對環境影響。在能源應用方面，這技術或能提升電動車和便攜式電子設備的電池性能。探索極性斯格明子能夠改進材料，同時創造可持續的解決方案，推動半導體產業可持續發展，以迎接更好的未來。

引領地區高新科技創新與教育

隨著澳門逐步拓展人工智能技術，橫琴粵澳深度合作區規劃構建特色微電子產業，澳理大在推動高新科技創新和教育方面發揮優勢，大力支持科研人員進行創新研究，配合特區政府提倡開展“人工智能+”，將人工智能技術整合到各個領域中，以促進創新和提高效率。

澳理大提供人工智能課程，包括人工智能學士學位和人工智能藥物發現博士學位課程，課程依託業界領先的機器翻譯暨人工智能應用技術教育部工程研究中心、人工智能藥物發現中心大力支持。這些研究中心不僅支持教育工作，還在人工智能應用的開發中處於領先地位，確保學生獲得在智慧醫療、數字經濟、智慧金融、智慧城市和機器翻譯等高需求領域創新的必要技能。通過全方位的教育和研究，澳理大培養高新科技專才滿足社會需求，助力優化城市及鄰近地區的高新技術協同生態。