高效驱动磁斯格明子移动的研究进展
2019-10-12

自旋电子学利用电子的自旋属性作为信息载体,具有非易失性、运行速度快、可靠性高等优点,被认为是后摩尔时代最具潜力的替代技术之一。近年来,磁斯格明子的发现为超低功耗、超高密度自旋存储和逻辑器件开辟了新的途径。磁斯格明子是一种具有手性的自旋结构,其手性来自于对称破缺导致的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用,1(a)(b)分别为体和界面对称破缺诱导的Bloch型与Néel型磁斯格明子结构。磁斯格明子的尺寸最小可达几个纳米,具有拓扑稳定性,并可利用小电流(102 A/cm2)驱动[1,2],因此,磁斯格明子是赛道存储、自旋逻辑等功能器件的理想信息载体。

 

1 aBloch型磁斯格明子bNéel型磁斯格明子

当前有关磁斯格明子功能器件的理论设计,均基于纳米线条中磁斯格明子的移动来实现,高效驱动磁斯格明子移动是实现低功耗器件的核心问题。课题组围绕这一问题,在实验以及理论方面开展工作。基于电流驱动Néel型磁斯格明子移动的理论与实验结果,利用电流产生自旋轨道矩是有效的驱动方式[1,2]因此,寻找并制备强自旋轨道耦合的磁斯格明子材料体系是高效驱动其移动的关键。在重金属材料中,W具有最大的自旋霍尔角,并且与具有较大自旋霍尔角的Pt符号相反,二者有效结合将具有非常强的自旋轨道耦合作用。我们设计并成功实现了新型的Pt/Co/W多层膜结构,利用洛伦兹透射电子显微镜、磁力探针显微镜等实验方法,成功实现了磁斯格明子的产生及探测,如图2所示。这一材料体系拥有高效的电流驱动磁斯格明子移动的潜力,该工作发表在Phys. Rev. B[3]

 

2 Pt/Co/W多层膜体系的磁滞回线以及相应的迷宫畴与磁斯格明子态

利用自旋轨道矩驱动磁斯格明子移动,电流依然是产生能耗的主要来源。因此,有必要探索利用电场驱动磁斯格明子的高效、高速移动,以避免电流产生的热效应,降低功耗,并提高可靠性。我们通过理论分析,在纳米线上设计等间距全同的分立电极,临近三个电极为一组,分别施加正、零、负电压。通过电场控制磁各向异性来构建磁斯格明子的能量梯度,进而驱动其向能量势阱处移动,如图3所示。通过各参量调节并结合理论分析,我们发现当磁斯格明子直径与电极宽度相等时,可建立线性能量梯度,此时磁斯格明子移动速度最大。该工作利用全同分立电极三个为一组构建能量梯度,可实现电场驱动的均一厚度薄膜中磁斯格明子的长距离移动,并获得很高的移动速度,功耗相较于电流驱动降低3个数量级。该文章发表在Phys. Rev. Appl.[4],并被选为“Editors’ Suggestion”。目前,课题组正依据该理论设计开展相关实验研究,期待在不久的将来获得突破。

3 电场驱动磁斯格明子移动器件

雷娜,微电子学院副教授,E-mail: na.lei@buaa.edu.cn

参考文献

[1]R. Wiesendanger, “Nanoscale magnetic skyrmions in metallic films and multilayers: a new twist for spintronics,” Nat. Rev. Mater. 1, 16044 (2016).

[2]A. Fert, et al., “Magnetic skyrmions: advances in physics and potential applications,” Nat. Rev. Mater. 2, 17031 (2017).

[3]T. Lin, et al., “Observation of room-temperature magnetic skyrmions in Pt/Co/W structures with a large spin-orbit coupling,” Phys. Rev. B, 98, 174425 (2018).

[4]Y. Liu, et al., “Voltage-Driven High-Speed Skyrmion Motion in a Skyrmion-Shift Device,” Phys. Rev. Appl. 11, 014004 (2019). (Editors’ Suggestion)