這篇Nature，納米級的新前沿！
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鑒于納米技術(shù)和自旋電子學(xué)的不斷發(fā)展，磁性隧道結(jié)（MTJs）等磁性納米器件引起了廣泛關(guān)注。MTJs是兩端設(shè)備，其電阻狀態(tài)由活性自由層（FL）的自旋方向描述，而固定參考層（RL）與FL之間的隧道磁電阻（TMR）使得FL取向的讀出成為可能。同時，拓撲磁性紋理如磁天空磁渦在納米尺度上也備受矚目，因為它們可能成為高效、可持續(xù)計算中的基本單元。然而，盡管MTJs和磁天空磁渦的潛在應(yīng)用前景廣闊，但目前仍存在一些關(guān)鍵問題。其中一個主要問題是缺乏一種能夠確定性地電讀出單個自旋紋理的設(shè)備。雖然已經(jīng)建立了關(guān)于這些納米結(jié)構(gòu)的一些橫向電性質(zhì)，但對于單個磁天空磁渦的確定性電讀出仍然是一個挑戰(zhàn)。
為了解決這一問題，新加坡科技研究局Anjan Soumyanarayanan等科學(xué)家進行了研究。他們關(guān)注的焦點是實現(xiàn)一種能夠在納米尺度上確定性地讀取和操縱單個磁天空磁渦的設(shè)備。通過設(shè)計和制備納米尺度的手性磁隧道結(jié)（MTJ），并利用電場來控制磁渦的形成和刪除，他們解決了這一問題。具體地，他們通過使用MgO作為隧道障礙物、CoFeB作為FL和RL，設(shè)計了納米尺度的手性MTJ，從而實現(xiàn)了磁天空磁渦的確定性電讀出。通過在MTJ中應(yīng)用電壓來模擬磁場，并利用互補的核化機制來穩(wěn)定不同大小的磁天空磁渦，他們成功地實現(xiàn)了電場調(diào)控的磁渦形成和刪除，同時大幅降低了轉(zhuǎn)換能量。最終相關(guān)成果發(fā)題為“All-electrical skyrmionic magnetic tunnel junction” 在Nature 頂刊。
本研究旨在解決磁隧道結(jié)（MTJ）中的磁性隨機存儲和電學(xué)操控的問題，以及對天然產(chǎn)生的磁渦（skyrmions）的確定性電學(xué)讀取的挑戰(zhàn)。通過一系列細致的實驗和模擬研究，研究人員揭示了納米尺度下磁隧道結(jié)（MTJ）中磁性隨機存儲的機制，并成功實現(xiàn)了對磁渦的確定性電學(xué)操控。首先，研究人員設(shè)計并制備了一種新型的磁性隧道結(jié)（SK-MTJ），其結(jié)構(gòu)如圖1所示。他們成功地實現(xiàn)了磁性隧道結(jié)中納米尺度的磁渦的穩(wěn)定，并通過電學(xué)方法對其進行了可靠讀取。通過磁性滯回曲線和電阻-磁場（R-H）循環(huán)測試，他們證明了SK-MTJ具有較大的磁隧道電阻（TMR）比率，并且顯示了磁性隧道結(jié)中磁渦狀態(tài)的明確識別能力（見圖2）。接下來，研究人員利用磁力顯微鏡成像技術(shù)對SK-MTJ納米點陣列進行了實驗觀察。通過對納米點磁性狀態(tài)的分析，他們驗證了磁渦狀態(tài)的存在以及其在外部磁場作用下的演化過程（見圖3）。通過微磁性模擬，研究人員進一步揭示了磁渦的形成和消失機制，并發(fā)現(xiàn)了其與磁場不對稱性之間的關(guān)聯(lián)。此外，研究人員利用一級反轉(zhuǎn)曲線（FORCs）研究了磁隧道結(jié)中磁渦狀態(tài)的零場穩(wěn)定性，并提出了一種基于電壓脈沖的電學(xué)操控方法。通過變化電壓脈沖的幅度和極性，他們成功地實現(xiàn)了磁渦狀態(tài)之間的可控轉(zhuǎn)換，并研究了其在不同磁場條件下的操控特性（見圖4和5）?？偟膩碚f，本研究通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，成功地揭示了磁隧道結(jié)中納米尺度磁渦的形成和演化機制，并實現(xiàn)了對其的確定性電學(xué)操控。這一研究成果對于發(fā)展基于磁性隨機存儲和磁性邏輯器件的新型技術(shù)具有重要意義，為未來磁性信息存儲與處理領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方法
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圖1.
器件結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)置
本研究通過對磁性天線MTJ的綜合性研究，為利用磁性天線在磁存儲和自旋電子學(xué)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供了深入的科學(xué)意義。通過設(shè)計復(fù)合的MTJ結(jié)構(gòu)，并通過多種實驗手段和理論模擬對其性能進行全面研究，作者揭示了磁性天線在不同磁場和電場條件下的穩(wěn)定性和可控性，為實現(xiàn)磁性天線的可編程操作和存儲提供了理論和實驗基礎(chǔ)。此外，作者還發(fā)現(xiàn)了磁性天線形成的微觀機制和磁場的不對稱性對器件性能的重要影響，為進一步優(yōu)化MTJ設(shè)計和開發(fā)新型自旋電子學(xué)器件提供了重要參考
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Chen, S., Lourembam, J., Ho, P. et al. All-electrical skyrmionic magnetic tunnel junction. Nature 627, 522–527 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07131-7
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