近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場中心低功耗量子材料研究團隊研究員杜海峰與安徽大學教授宋東升、美國新罕布什爾大學教授臧家棟合作，首次實現(xiàn)了納米條帶存儲器件結(jié)構(gòu)單元中電流誘導磁斯格明子（skyrmion）的寫入、刪除及尋址一體化精準操控，為構(gòu)筑拓撲磁性存儲器提供了原理性支撐。相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature communications上。
磁斯格明子是一種具有非平庸拓撲特性的磁結(jié)構(gòu)，具有尺寸小、穩(wěn)定性高、電流易操控等優(yōu)點，有望作為下一代數(shù)據(jù)載體，構(gòu)筑突破傳統(tǒng)磁存儲技術(shù)限制的磁電子學器件。磁斯格明子存儲器的設計方案早在2013年就已被提出【J. Iwasaki et al.,Nat. Nanotechnol. 8, 742 (2013)】，但在實驗上遇到了極大挑戰(zhàn)。其關(guān)鍵在于器件設計要在納米條帶邊緣制備一個與單個磁斯格明子大小和形狀均可比擬的幾何缺口，以實現(xiàn)拓撲磁存儲的寫入和擦除功能。然而，利用傳統(tǒng)技術(shù)制備的納米條帶厚度和形狀不均勻，導致驅(qū)動磁斯格明子運動所需電流密度大且不均勻，會產(chǎn)生高的焦耳熱效應，導致磁斯格明子可控性差。同時，用傳統(tǒng)技術(shù)制備出的缺口特征尺寸在微米量級，遠大于理論設計尺寸，使得磁斯格明子的產(chǎn)生極不可控。以上原因?qū)е略谝粋�納米器件結(jié)構(gòu)單元中同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫、擦除及尋址三個功能一直無法實現(xiàn)。
針對這些問題，研發(fā)團隊設計并研制出易于精細加工納米微結(jié)構(gòu)的透射電鏡原位加電芯片，擴展了洛倫茲透射電鏡原位加電功能。同時，基于前期聚焦離子束樣品制備技術(shù)的積累，制備出厚度均勻、表面平整的器件CoZnMn納米結(jié)構(gòu)單元，并控制邊緣缺口的尺寸（~ 280 nm）和CoZnMn中單個磁斯格明子大小可比擬（~ 110 nm），實現(xiàn)了電流脈沖誘導的磁斯格明子的產(chǎn)生和寫入。通過控制脈沖的寬度及電流密度實現(xiàn)了產(chǎn)生磁斯格明子的步進運動尋址。實驗還發(fā)現(xiàn)可以通過控制電流脈沖方向，利用邊緣缺口消除斯格明子，最終在一個器件結(jié)構(gòu)單元中實現(xiàn)了磁斯格明子的產(chǎn)生、擦除和驅(qū)動運動一體化電操控，展示了原理性器件寫、擦除和尋址功能。實驗發(fā)現(xiàn)，寫入電流密度最低為~3.5×1010A/m2、擦除電流密度最低為~1.2×1010A/m2、尋址電流密度最低為~0.5×1010A/m2。這些值比操控傳統(tǒng)磁疇所需的納米脈沖電流密度低1-2個數(shù)量級，展示了磁斯格明子賽道原理性存儲器的低能耗優(yōu)勢。
（磁斯格明子產(chǎn)生、運動及消除一體化電操控）
