什么是斯格明子

 

1965年，英特尔公司戈登．摩尔提出的摩尔定律，用以总结和预期集成电路的发展，即集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔18个月便会翻一倍，其性能也会翻倍。然而随着电路集成度越来越高，摩尔定律也遇到了新的挑战。因为按照摩尔定律描述的发展趋势，集成电路的工艺己进入纳米尺度。在芯片上如此高密度的集成元器件，热耗散问题是一个巨大的挑战。更严重的是，随着集成电路的工艺进入纳米尺度，量子效应会逐渐显现并占据支配地位。当描述元器件工作的物理规律由经典物理转变为量子力学，试图按照原来的方式保持集成电路的发展趋势就非常困难了。自旋电子学器件利用电子的自旋属性实现更有效率的信息存储、传递和处理,是打破或规避上述壁垒的重要途径。近年来，磁结构中的拓扑属性及其相关应用被认为将可能成为下一代自旋电子器件的信息载体,是目前该领域的研究热点之一。

 

斯格明子（后文均指磁斯格明子）是一种具有准粒子特性并且受拓扑保护的自旋结构，作为一种特殊的磁畴壁，其结构是一种具有涡旋的磁化分布。与磁畴壁类似，斯格明子也存在磁矩的翻转，而与畴壁不同的地方在于，斯格明子是涡旋结构，它的磁矩翻转是由中心向外,常见的有布洛赫型斯格明子和奈尔型斯格明子。

 

图1斯格明子结构示意图。（a）奈尔型斯格明子（b）布洛赫型斯格明子

参考文献：K. Everschor Current-Induced Dynamics of Chiral Magnetic Structures: Skyrmions, Emergent Electrodynamics and Spin-Transfer Torques,2012.

 

斯格明子是一种天然的信息载体，它显示出易操控易稳定、尺寸小、驱动速度快等优越的性质，所以基于斯格明子的电子学器件有望满足人们对未来器件非易失、高容量、高速度、低功耗等方面的性能要求。

 

 

斯格明子应用简介

 

斯格明子赛道存储

赛道存储以纳米线作为存储赛道，磁畴壁充当信息载体，通过电流来驱动磁畴壁的运动。2013年，研究者提出了斯格明子赛道存储器，用斯格明子取代磁畴壁充当信息载体的赛道存储具有更大的发展前景。相较于磁畴壁的驱动电流密度，斯格明子要小5-6个数量级，这可以带来更低的能耗和发热量。通过将斯格明子进行压缩，相邻斯格明子间的距离和斯格明子直径可以处于同一数量级，这可以带来更高的存储密度。

 

图2 基于斯格明子的存储器

参考文献：X.C. Zhang et al. Skyrmion-skyrmion and skyrmion-edge repulsions in skyrmion-based racetrack memory, Scientific Reports,5:7643(2015)

 

斯格明子晶体管

 

图3 基于斯格明子的晶体管

参考文献：X.C. Zhang et al. Magnetic skyrmion transistor: skyrmion motion in a voltage-gated nanotrack, Scientific Reports, 5:11369(2015)

 

斯格明子也可以用于晶体管方向，开拓半导体发展新思路。如图3所示，在器件的一端利用MTJ（磁隧道结）产生斯格明子，随后使用自旋极化电流来驱动斯格明子向器件另一端运动。为实现晶体管的开关状态切换，在器件的中间安装一个门极。通过向门极施加电压，产生电场，可以改变材料的垂直磁各向异性，从而控制斯格明子的通断。当不施加电压的情况下，斯格明子可以通过门极，来到器件的另一端，这种状态定义为开态；当施加外电场时，斯格明子不通过门极，这种状态定义为关态。

 

斯格明子的非常规计算器件

 

图4 (a) 基于斯格明子的神经计算器件 (b) 基于斯格明子的随机计算器件

参考文献：S. Li, et al. Magnetic skyrmion-based artificial neuron device, Nanotechnology,28: 31LT01(2017)

D. Pinna, et al. Skyrmion Gas Manipulation for Probabilistic  Computing Physical Review Applied,9:064018(2018)

 

相比传统的计算单元，神经形态计算单在元神经网络方面，具有低功耗、规模大的运算优势。想要制造神经形态计算单元需满足：纳米级尺寸、非易失性、低功耗等要求。斯格明子为这样的器件带来了新的可能，斯格明子具有可控的机动性，可以很好地模拟生物神经，同时，斯格明子可以更轻易地摆脱杂质的钉扎效应，这使得它具有更好的稳健性。

 

斯格明子也可以用于随机计算器件。主流计算技术编码为常规二进制格式的数值，而随机计算可以连续地处理随机的比特流。常规的半导体电路利用伪随机数字生成器和移位寄存器相结合生成信号，会带来硬件成本高、能效低的缺点。研究人员在理论和实验上发现了热诱导产生的斯格明子，这为基于斯格明子的随机计算设备提供了基础。

 

 

NV扫描探针显微镜在斯格明子中的应用案例

 

斯格明子的研究离不开合适的观测技术，实空间中观测斯格明子通常使用这些技术：洛伦兹透射电子显微镜（LTEM），原理是利用电子束穿透样品，记录电子受到的洛伦兹力；磁力显微镜（MFM），使用磁性针尖，利用原子力显微镜技术记录样品表面磁场作用力；Ｘ射线显微镜，原理是Ｘ射线的吸收率能够反映样品的磁场；磁光克尔显微镜（Moke），利用磁光克尔效应测量磁化分布。这些观测手段都存在自己的局限性，例如LTEM对样品尺寸要求苛刻，Moke空间分辨率不高，MFM针尖的磁性会影响斯格明子的成像。

 

近年来金刚石中存在一种特殊的缺陷结构—氮空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心吸引了广大研究人员的目光。通过微波与激光对NV色心电子自旋所处量子态实行操纵与读出，可以获得对应NV轴向上磁场分量的强度。NV扫描探针显微镜就是将金刚石中的NV色心集成到AFM探针端，结合AFM扫描技术，可以获得样品表面的磁畴结果，其优点在于拥有高的灵敏度（1 uT/Hz1/2）、空间分辨率（10 nm）和非侵入性。NV扫描探针显微镜被用于研究感兴趣的各种磁性结构。例如利用扫描磁涡旋杂散场，能够确定磁涡旋核心的极性和手性；测量磁畴壁的构型并且观察调控下的磁畴壁动力学。

 

研究新材料，制备室温下零场稳定存在、体积小且易操控的斯格明子是科研人员的目标。而扫描NV 显微镜很适合在室温下对斯格明子高分辨定量磁成像。目前，NV扫描探针显微镜在研究斯格明子的磁化结构和相关的物理过程已颇有建树。例如：

1）在一些假设的条件下，能够从测量的杂散场重构出斯格明子的磁化结构，从布洛赫型和奈尔型斯格明子之间进行区分。

2）研究斯格明子的结构形态。例如，Jacques组研究了Pt/FM/Au/FM/Pt铁磁多层膜中斯格明子形态。

3）观察斯格明子的本征动力学演化。例如，Ania组研究了在外磁场变化下Ta/CoFeB/MgO体系中斯格明子的演化。

4）电流驱动斯格明子的动力学过程。

 

图5 NV扫描探针显微镜解析斯格明子磁结构（Scale bar：500 nm）

参考文献：Y. Dovzhenko et al., Magnetostatic twists in room-temperature skyrmions explored by nitrogen-vacancy center spin texture reconstruction, Nature Communications 9:2712(2018)

 

图6 NV扫描探针显微镜用于研究斯格明子形态

参考文献：Gross I, Akhtar W, Hrabec A, et al. Skyrmion morphology in ultrathin magnetic films,Physical Review Materials, 2:2024406(2018).

 

图7 NV扫描探针显微镜用于研究外磁场下的斯格明子

参考文献：Jenkins A, Pelliccione M, Yu G, et al. Single-spin sensing of domain wall

structure and dynamics in a thin film skyrmion host. Physical Review Materials, 3: 083801(2017)

 

 

 

图8 NV扫描探针显微镜用于研究电流驱动斯格明子的动力学

参考文献：Akhtar W, Hrabec A, Chouaieb S, et al. Current induced nucleation and dynamics of

skyrmions in a cobased heusler alloy. Physical Review Applied, 11:034066(2019)


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