梁雪 趙莉 邱雷 李雙 丁麗紅 豐友華 張溪超 周艷 趙國平3)

1)(四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,成都 610101)

2)(香港中文大學(xué)(深圳)理工學(xué)院,深圳 518172)

3)(山西先進(jìn)永磁材料與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心,臨汾 041004)

磁性斯格明子是拓?fù)浞€(wěn)定的自旋結(jié)構(gòu),它的尺寸小,驅(qū)動(dòng)電流閾值小,被廣泛認(rèn)為是下一代磁性存儲(chǔ)的基本單元.斯格明子的主要優(yōu)勢(shì)在于它奇特的動(dòng)力學(xué)性質(zhì),特別是它能夠與傳導(dǎo)電子相互作用,在低電流密度驅(qū)動(dòng)下可以在賽道上穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng).本文結(jié)合磁性斯格明子賽道存儲(chǔ)的最新研究成果,對(duì)斯格明子在賽道上的寫入、驅(qū)動(dòng)和讀出三個(gè)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述.重點(diǎn)介紹了注入自旋極化電流這一最常見的驅(qū)動(dòng)方法,分析了斯格明子在賽道上的堵塞和湮沒現(xiàn)象,探討了斯格明子霍爾效應(yīng)及其可能造成信號(hào)丟失的危害和相關(guān)的解決方法,并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)介紹了幾種斯格明子塞道存儲(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.最后總結(jié)了磁性斯格明子賽道存儲(chǔ)面臨的一些挑戰(zhàn).

1 引 言

斯格明子最早由英國粒子物理學(xué)家Skyrme[1]提出,用于描述介子領(lǐng)域中的局域化的準(zhǔn)粒子結(jié)構(gòu).此后,這一物理概念也用于很多其他領(lǐng)域,比如:核物理、量子霍爾體系、液晶以及超冷原子等[2,3].斯格明子是一種受拓?fù)浔Ｗo(hù)的結(jié)構(gòu),可以由一個(gè)拓?fù)湔麛?shù)來表征,其拓?fù)鋽?shù)不會(huì)在場(chǎng)的連續(xù)形變下而發(fā)生改變.有趣的是,這種非拓?fù)淦接沟臏?zhǔn)粒子也可以穩(wěn)定地存在于手性磁體中,即磁性斯格明子[3].有了這些開創(chuàng)性的理論工作[4?7],此后不斷涌現(xiàn)出大量研究磁性斯格明子的實(shí)驗(yàn)工作.2009年,Mühlbauer等[8]通過小角度中子散射實(shí)驗(yàn),在MnSi材料中首次證實(shí)了斯格明子晶體(skyrmion lattice)的存在;Yu等[9]利用洛倫茲透射電子顯微鏡(Lorentz transmission electron microscopy,LTEM)在Fe1?xCoxSi首次得到真實(shí)空間中斯格明子的成像;Heinze[10]在Ir表面生長的Fe單原子層中用自旋極化掃描隧道顯微鏡(spin-polarized scanning tunneling microscopy,SP-STM)也觀測(cè)到了自發(fā)的的原子級(jí)的斯格明子晶體;2015年,杜海峰等[11]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在外加磁場(chǎng)作用下,FeGe納米帶中邊緣扭曲的螺旋基態(tài)可以演變成斯格明子,即利用邊界效應(yīng)實(shí)現(xiàn)斯格明子的產(chǎn)生;Hsu等[12]證明了局部電場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)斯格明子與鐵磁態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換.此外,許多研究者[13?20]也進(jìn)一步研究了室溫下斯格明子的形成及其基本操控.其中,Zhou和Ezawa[17]以及Jiang等[18]分別通過模擬和實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了室溫下受限幾何結(jié)構(gòu)中帶狀磁疇向單個(gè)斯格明子的轉(zhuǎn)換.無疑,這些結(jié)果都為斯格明子自旋電子設(shè)備的應(yīng)用打開了一扇大門.

斯格明子的自旋結(jié)構(gòu)[21,22]如圖1所示,其中心處的自旋向下,而邊緣處的自旋向上,中心與邊緣成反平行排列,而中間的過渡區(qū)域磁矩由向下逐步轉(zhuǎn)到向上.因此,斯格明子也是一種特殊的磁疇壁結(jié)構(gòu).此外,類似于磁疇壁,根據(jù)磁矩的兩種不同轉(zhuǎn)動(dòng)方式,將斯格明子分為布洛赫型和奈爾型兩大類.

圖1 兩種斯格明子的自旋結(jié)構(gòu) (a)奈爾型斯格明子;(b)布洛赫型斯格明子[21,22]Fig.1.The magnetic texture of two types skyrmions:(a)Néel-type skyrmions;(b)Bloch-skyrmions[21,22].

磁有序系統(tǒng)中穩(wěn)定斯格明子的機(jī)理有四種,分別是:長程偶極相互作用,Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI),阻挫交換相互作用以及四自旋相互作用,并且多種機(jī)理可能會(huì)同時(shí)作用[3].特別地,DMI是目前研究最多的一種.通常在非中心對(duì)稱的塊狀磁性材料和界面反演對(duì)稱性破缺的過渡金屬薄膜中,由于這些材料中的原子排列結(jié)構(gòu)對(duì)稱性極低,并且存在較強(qiáng)的自旋軌道耦合,往往會(huì)產(chǎn)生DMI.此外,在Co/Ru/Co多層膜納米盤[23]中,Dai等[24]通過微磁模擬發(fā)現(xiàn),在該體系中雖然不存在DMI,但由于幾何限制以及各種微磁學(xué)能量之間的競爭也可以自發(fā)地形成穩(wěn)定的斯格明子基態(tài).近年來,有大量的理論與實(shí)驗(yàn)工作都用于研究單個(gè)孤立斯格明子的產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)、刪除、探測(cè)等基本操控,并期望將其運(yùn)用在自旋電子學(xué)器件中,如:賽道存儲(chǔ)、邏輯門、振蕩器等.尤其是與傳統(tǒng)的磁疇相比,斯格明子的驅(qū)動(dòng)電流更小,從能源的角度來看,將更適合用于未來的信息存儲(chǔ)設(shè)備.

對(duì)于信息存儲(chǔ),最傳統(tǒng)的方式是硬盤存儲(chǔ)和隨機(jī)存儲(chǔ)(random access memory,RAM),它們都曾經(jīng)歷過迅猛的發(fā)展.其中,硬盤存儲(chǔ)是將信息(數(shù)據(jù))存放在硬盤內(nèi)的磁盤上,啟動(dòng)時(shí),硬盤高速旋轉(zhuǎn),磁頭將會(huì)讀出相應(yīng)的數(shù)據(jù).對(duì)于這一設(shè)備,雖然價(jià)格比較低廉,信息可以長期儲(chǔ)存,但是由于存在大部件的機(jī)械運(yùn)動(dòng),可能會(huì)造成機(jī)械零件以及能量的損耗;其次,外界的振動(dòng)和干擾對(duì)其影響也較大.而隨機(jī)存儲(chǔ)器則是利用晶體管和電容器中的電子態(tài)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)位[25],并與CPU直接交換數(shù)據(jù),可以隨時(shí)讀寫,速度很快,分為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器.不足的是,這種存儲(chǔ)器在斷電以后,內(nèi)部存儲(chǔ)的信息就會(huì)消失,使用壽命短暫,讀寫次數(shù)有限.此外,在實(shí)現(xiàn)了利用電流誘導(dǎo)磁性隧道結(jié)(magnetic tunnel junction,MTJ)中的磁矩翻轉(zhuǎn)以后,基于MTJ的自旋轉(zhuǎn)移矩磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(spin transfer torque magnetic random access memory,STT-MRAM)立即成為一個(gè)研究熱點(diǎn),得到了大量科研人員的關(guān)注,其主要原因在于該存儲(chǔ)設(shè)備的非易失性好、存取速度快以及無限持久力[26,27].但在投入實(shí)際生產(chǎn)之前,對(duì)于該設(shè)備的能耗、熱穩(wěn)定性、信息的可靠性等問題,還有待繼續(xù)研究.基于以上分析,這些存儲(chǔ)設(shè)備都各有優(yōu)劣,而對(duì)于現(xiàn)在的信息化時(shí)代,人們都期望能夠擁有一種同時(shí)結(jié)合上述存儲(chǔ)器優(yōu)點(diǎn)的新型設(shè)備來儲(chǔ)存信息,即價(jià)格便宜、讀寫速度快、信息可靠、能耗低并且非易失性好.幸運(yùn)的是,在十多年前,Parkin等[25,28,29]提出了一種新的存儲(chǔ)方式——賽道存儲(chǔ)(racetrack memory,RM),在這一模型中,納米線作為賽道,數(shù)據(jù)全部儲(chǔ)存在賽道上的磁疇壁中,這些疇壁是非易失的,可以實(shí)現(xiàn)信息的復(fù)寫.有別于傳統(tǒng)的硬盤存儲(chǔ),它沒有運(yùn)動(dòng)的大部件,而是攜帶信息(二進(jìn)制數(shù)據(jù))的磁疇壁在賽道上來回運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)信息的讀寫存儲(chǔ).因此,賽道存儲(chǔ)具有較強(qiáng)的防震性與抗干擾性,有利于移動(dòng)設(shè)備的信息存儲(chǔ).理論上當(dāng)利用自旋極化電流驅(qū)動(dòng)疇壁時(shí),速度可達(dá)到每秒幾百米甚至數(shù)千米[30,31],可見這一設(shè)備的數(shù)據(jù)讀寫速度也是很可觀的.

綜合考慮斯格明子的優(yōu)良特性,并結(jié)合基于磁疇的賽道存儲(chǔ)機(jī)理,文獻(xiàn)[3,32—36]提出磁性斯格明子也可以作為信息的載體用于賽道存儲(chǔ),因此引發(fā)了大量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論工作,比如:斯格明子在賽道上的多種產(chǎn)生方式、驅(qū)動(dòng)過程以及讀出過程.Romming等[34]和Sam paio等[37]分別在實(shí)驗(yàn)和理論上利用自旋極化電流實(shí)現(xiàn)了斯格明子的產(chǎn)生,這為斯格明子的賽道存儲(chǔ)提供了無比重要的基礎(chǔ)條件.有研究發(fā)現(xiàn)[38?40],相比于傳統(tǒng)的磁疇壁,驅(qū)動(dòng)斯格明子的電流密度小了5—6個(gè)數(shù)量級(jí)[32],從而降低了能耗,符合當(dāng)代“綠色環(huán)保,節(jié)能減排”的科學(xué)發(fā)展觀.并且,這種以斯格明子為基礎(chǔ)的賽道存儲(chǔ)能突破磁疇壁賽道存儲(chǔ)的密度極限,極大地提高了存儲(chǔ)密度.因此,集各種優(yōu)勢(shì)于一身的斯格明子賽道存儲(chǔ)將有望成為下一代磁性存儲(chǔ)的主導(dǎo).

本文詳細(xì)介紹了斯格明子在賽道上的寫入、運(yùn)動(dòng)和讀出這三個(gè)基本過程.在第2部分主要介紹斯格明子在賽道上的多種寫入方式,包括注入自旋極化電流、外加磁場(chǎng)和激光加熱等,同時(shí),考慮到實(shí)際應(yīng)用的需要,也對(duì)室溫下斯格明子的產(chǎn)生做了簡要的論述.第3部分討論斯格明子在賽道上的驅(qū)動(dòng)方式,其中,注入自旋極化電流,不論是操作的簡易度還是能量的利用率,都是比較有效、也有望應(yīng)用于實(shí)際的一種方式.第4部分簡要地介紹斯格明子在賽道上的讀出過程,主要論述了拓?fù)浠魻栃?yīng)和磁阻效應(yīng).特別地,非共線磁阻效應(yīng)作為一種新的全電氣化方案將有望應(yīng)用于未來的斯格明子賽道存儲(chǔ)設(shè)備中.本文第5部分針對(duì)斯格明子在極化電流的驅(qū)動(dòng)下所產(chǎn)生的斯格明子霍爾效應(yīng),介紹了幾種消除這一效應(yīng)的方法.

2 斯格明子在賽道上的寫入

斯格明子是一種拓?fù)鋽?shù)為1的自旋結(jié)構(gòu),而自旋螺旋態(tài)或者鐵磁態(tài)都是拓?fù)鋽?shù)為0的拓?fù)淦接箲B(tài).對(duì)于這些拓?fù)鋽?shù)不同的自旋結(jié)構(gòu),它們不可能通過連續(xù)形變從一種狀態(tài)過渡到另一種狀態(tài),即在這些態(tài)之間存在著一個(gè)有限的能量勢(shì)壘,并以此將它們區(qū)分開[34,41].因此,如果要實(shí)現(xiàn)兩種自旋結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,必須要克服它們之間的拓?fù)鋭?shì)壘[22,37].最常用的方法有:注入自旋極化電流、外加磁場(chǎng)、局部加熱等.然而,在實(shí)際應(yīng)用中,我們都期望能在室溫下進(jìn)行操作,因此,本部分也對(duì)斯格明子在室溫下的產(chǎn)生(即成核)情況做了簡要的論述.

2.1 自旋極化電流誘導(dǎo)斯格明子的產(chǎn)生

對(duì)于普通電流,是由自由電子的定向移動(dòng)而形成,電子所攜帶的自旋方向隨機(jī)分布,總體不帶極性.當(dāng)普通電流穿過“鐵磁層/非鐵磁層/鐵磁層”三明治結(jié)構(gòu)的自旋閥時(shí),由于自旋散射作用,最終將使普通電流變成自旋極化電流.利用自旋極化電流來產(chǎn)生斯格明子,不論是實(shí)驗(yàn)還是理論的角度,無疑都是一種比較簡單、有效、也有望應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)生方式.

2.1.1 實(shí)驗(yàn)研究

相比于傳統(tǒng)的磁疇壁[42],斯格明子具有特定的手性,要想清楚地知道其內(nèi)部磁矩的具體分布,在實(shí)驗(yàn)上就需要更為復(fù)雜的流程.除了利用小角度中子散射實(shí)驗(yàn)和洛倫茲透射電鏡研究斯格明子,自旋極化掃描隧道顯微術(shù)[43?46]作為一種新興的、空間分辨率能達(dá)到原子尺寸的表面自旋分辨技術(shù),也可實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)空間中斯格明子的研究[34].當(dāng)其只用于研究表面磁結(jié)構(gòu)及其特性時(shí),為了不改變或者破壞樣品的本身結(jié)構(gòu)、影響SP-STM成像,一般利用低電壓(約為幾十毫伏)和低電流(約為幾十納安)來掃描樣品表面.若加大掃描電壓和隧穿電流,則通過針尖的特殊結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生高能的自旋電子,形成自旋極化電流注入到材料的表面,實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的操控.

Romm ing等[34]就利用SP-STM對(duì)PtFe表面進(jìn)行處理,通過注入自旋極化電流來控制斯格明子的成核與湮沒.考慮到鐵磁態(tài)(Q=0)與斯格明子態(tài)(Q=1)之間相互轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的磁信號(hào),因此,可以作為這兩者之間的轉(zhuǎn)換信號(hào).為了進(jìn)一步研究在自旋極化電流下鐵磁態(tài)與斯格明子之間的轉(zhuǎn)換機(jī)理,Romm ing等主要探究了轉(zhuǎn)換率f和出現(xiàn)斯格明子的概率P分別與掃描電壓U,隧穿電流I,以及外磁場(chǎng)B之間的關(guān)系[47,48].實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,自旋極化電流所引起的熱燥聲和焦耳熱的影響可以忽略不計(jì),而注入電子的能量eU是影響轉(zhuǎn)換率的主要因素,如圖2(a),電壓越大,轉(zhuǎn)換率f越大.除此之外,通過圖2(b)的P-B關(guān)系可以清楚地看到,當(dāng)固定入射電子的能量|eU|和隧穿電流I的大小時(shí),對(duì)于大小相同、方向相反的兩個(gè)掃描電壓,即電流的方向相反,整個(gè)圖線會(huì)出現(xiàn)一個(gè)?B≈100 mT的平移,而且自旋極化電流所產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩(spin-transfer torque,STT)主要與電流的極化強(qiáng)度和方向有關(guān).由此表明,引起兩條圖線發(fā)生?B的平移,其主要原因就是兩者的自旋轉(zhuǎn)移力矩的不同.因此,STT將是一種新的控制自旋結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換方向的方法,同時(shí)也是一種很有效的操控單個(gè)斯格明子的方式.

圖2 T=4.2 K時(shí)電壓和外場(chǎng)對(duì)斯格明子成核和湮沒的影響[34] (a)轉(zhuǎn)換率f與電壓U的關(guān)系(I=300 nA,B=2.7 T);(b)斯格明子概率P與外場(chǎng)B的關(guān)系(I=100 n A)Fig.2. Voltage and magnetic field characteristics of skyrmion creation and annihilation at T =4.2 K[34]:(a)Measured switching rates f depend sensitively on U(I=300 n A,B=2.7 T);(b)the relationship between skyrmion probability P and field B(I=100 nA).

2.1.2 數(shù)值模擬

目前,在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)觀察到了單個(gè)的斯格明子或者斯格明子晶體,而且通過SP-STM向薄膜材料注入自旋極化電流,在外場(chǎng)的作用下也可實(shí)現(xiàn)斯格明子的成核和刪除[34].但是對(duì)于實(shí)際應(yīng)用,不僅是斯格明子的賽道存儲(chǔ),基于斯格明子的其他自旋電子設(shè)備也一樣,它們都需要一種更簡單有效的方法來產(chǎn)生或者操控斯格明子,這也正是當(dāng)前在實(shí)驗(yàn)上所面臨的挑戰(zhàn).而通常情況下,一定的數(shù)值模擬工作可以為實(shí)驗(yàn)研究做出重要的指導(dǎo),因此,對(duì)于利用自旋極化電流產(chǎn)生斯格明子,數(shù)值模擬也是必不可少的.目前,在這一領(lǐng)域已有不少的理論工作.

其中,Sam paio等[37]在這一領(lǐng)域做出了具有里程碑意義的重要工作,他們通過微磁模擬軟件The Object Oriented Micro Magnetic Framework(OOMMF)進(jìn)行模擬,研究了不同參數(shù)對(duì)單個(gè)斯格明子的大小及穩(wěn)定性的影響.Rohart和Thiaville[49]的計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于較小的D值,斯格明子的大小對(duì)納米盤的依賴性較小,而對(duì)于較大的D值,由于納米盤的邊界影響,斯格明子的大小會(huì)隨著盤的增大而增大(如圖3所示).文獻(xiàn)[22]中還提到只有當(dāng)電流超過一個(gè)閾值,并且經(jīng)歷一定的弛豫時(shí)間,斯格明子才能產(chǎn)生.對(duì)實(shí)際應(yīng)用而言,臨界電流和弛豫時(shí)間無疑都是至關(guān)重要的因素,臨界電流越小,耗能越低,弛豫時(shí)間越短,則有效性和靈敏度越高.有研究發(fā)現(xiàn)臨界電流的大小與材料的阻尼系數(shù)α有關(guān),α越小,成核所需的臨界電流就越小[37].對(duì)于CoFeB薄膜,其阻尼系數(shù)α=0.015,此時(shí),臨界電流可以減小到0.5×108A·cm?2.其次,減小磁晶各向異性常數(shù)或增加外磁場(chǎng),也可以減小臨界電流[37].此外,Iwasaki等[33]在帶有缺口的垂直磁化的納米線上注入脈沖電流,通過自旋轉(zhuǎn)移力矩的作用可以產(chǎn)生布洛赫型的斯格明子.Yuan和Wang[50]研究了在自由層是垂直磁化的自旋閥中通入納秒級(jí)電流脈沖,即使沒有外場(chǎng)的幫助,也可以實(shí)現(xiàn)斯格明子的成核和刪除.

圖3 在不同大小的圓盤中斯格明子的半徑隨D/D c的變化[49]Fig.3.Variation of the skyrmion core radius R s versus D for different dot radius.The radius is defined at the m z=0 line[49].

對(duì)圓盤產(chǎn)生斯格明子的研究為斯格明子賽道存儲(chǔ)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).在納米賽道中,產(chǎn)生單個(gè)斯格明子或者斯格明子鏈的方法有很多,目前比較常用的就是注入自旋極化電流.對(duì)斯格明子而言,存儲(chǔ)器中的納米賽道是一個(gè)受限系統(tǒng).因此,斯格明子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)以及湮沒過程都會(huì)受到鐵磁納米賽道邊界的影響[33,36,51?53].最近有關(guān)研究表明,在具有DMI的納米薄膜上,邊界的不穩(wěn)定性可能會(huì)導(dǎo)致斯格明子在其邊界附近產(chǎn)生[54].另外,斯格明子在受限系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)也會(huì)受到邊界的作用,包括振蕩和回旋運(yùn)動(dòng)[55?57],而且賽道的寬度會(huì)直接影響斯格明子的大小和斯格明子間的平衡距離[36].Ran等[58]基于微磁學(xué)模擬,系統(tǒng)地研究了在受限系統(tǒng)中斯格明子成核的邊界效應(yīng).圖4為自旋結(jié)構(gòu)在不同的注入電流j下隨d1的變化,其中d1是賽道左端到注入中心的距離.除了距離d1,材料參數(shù)、賽道幾何參數(shù)和電流密度也會(huì)對(duì)受限系統(tǒng)中斯格明子的成核情況產(chǎn)生影響.文獻(xiàn)[58]中指出斯格明子態(tài)只能在特定的參數(shù)區(qū)間產(chǎn)生.

圖4 自旋結(jié)構(gòu)在不同電流密度j下隨d1的變化 形成事件的成功或失敗表示的是斯格明子形成的成功與否,黃色箭頭指出的是自旋結(jié)構(gòu)中的類缺口點(diǎn),比色刻度尺表示的是磁矩z的分量[58]Fig.4.Spin structures varying with the distance between the current injection point and the left end d1.The success or failure of the generation event rep resents whether a sTable skyrmion is generated successfully or not.The yellow arrow indicates the defect-like point in the spin structure.The color scale shows the z-component of the magnetization[58].

2.2 外加磁場(chǎng)下斯格明子的產(chǎn)生

2.2.1 斯格明子的B-T相圖

在一個(gè)自旋體系中,由于磁交換、自旋軌道耦合以及靜磁效應(yīng)的存在,通常會(huì)使自旋之間產(chǎn)生多種不同的相互作用,如交換相互作用、磁晶各向異性相互作用、退磁相互作用等.特別地,在非中心對(duì)稱的塊狀磁性材料和反演對(duì)稱性破缺的過渡金屬薄膜中,由于這些材料的對(duì)稱性極低,并且存在較強(qiáng)的自旋軌道耦合,從而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的DMI[59,60].對(duì)于整個(gè)體系,它的哈密頓量可以寫成如下形式[61]:

等式右邊各項(xiàng)分別代表交換能、磁晶各向異性能、塞曼能、退磁能和DMI能.其中磁交換相互作用是使相鄰磁矩平行或反平行排列,而DMI則更傾向于使相鄰磁矩垂直排列[41].因此,在這一體系中,各種相互作用進(jìn)行競爭,最終可形成多種亞穩(wěn)態(tài)(即能量極小).Mühlbauer等[8]首次在MnSi手性磁體中利用小角度中子散射實(shí)驗(yàn)證明了斯格明子晶體的存在,并被確認(rèn)為A相[62](如圖5).從相圖中可以看到,A相處在居里溫度附近,當(dāng)外場(chǎng)比較小時(shí),螺旋態(tài)最為穩(wěn)定,加大磁場(chǎng),螺旋態(tài)過渡到圓錐態(tài),若繼續(xù)加大磁場(chǎng),最后形成與外場(chǎng)同向的鐵磁態(tài).從橫向來看,增加體系的溫度,由于熱擾動(dòng)的作用,使圓錐態(tài)轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的斯格明子態(tài)(即A相),但斯格明子晶體只能在較小的一個(gè)溫度范圍內(nèi).研究發(fā)現(xiàn),材料的厚度會(huì)影響斯格明子的熱穩(wěn)定性,材料越薄,存在斯格明子相的溫度范圍越大,Yu等[63]對(duì)FeGe的觀測(cè)也進(jìn)一步說明了斯格明子的穩(wěn)定性對(duì)材料厚度的依賴性.事實(shí)上,在二維的螺旋磁體中,斯格明子晶體能夠在較大的溫度和磁場(chǎng)范圍內(nèi)穩(wěn)定存在[64,65].

改變體系的磁場(chǎng)強(qiáng)度來產(chǎn)生斯格明子是一種最基本的方式.理論上已經(jīng)討論了在磁場(chǎng)作用下,單軸各向異性、不均勻手性調(diào)制等對(duì)斯格明子穩(wěn)定性的影響[66?71].此外,Romm ing等[34,72]也進(jìn)一步研究了單個(gè)斯格明子的大小和形狀對(duì)外場(chǎng)的依賴性.

圖5 MnSi關(guān)于磁場(chǎng)和溫度函數(shù)的相圖[3,8]Fig.5.The phase diagram of MnSi as a function of T and B[3,8].

2.2.2 外加磁場(chǎng)誘導(dǎo)室溫斯格明子的成核

對(duì)于生長在重金屬上的磁性薄膜,如生長在Ir上的Fe單層膜或者Pd Fe雙層膜,亦或是直接生長在Cu基片上的FeNi雙層膜等,在這些體系中如果要形成穩(wěn)定的斯格明子,通常需要較大的磁場(chǎng)(約1 T)和極低的溫度(約幾十K).無論是從能量的有效利用還是實(shí)驗(yàn)的操作難易度來講,這都不是我們最想要的結(jié)果.對(duì)于實(shí)際應(yīng)用,我們都期望能在室溫下操控穩(wěn)定的斯格明子,而要實(shí)現(xiàn)室溫下的操控,其前提是能在室溫下產(chǎn)生穩(wěn)定的斯格明子.最近,Moreau-Luchaire等[20]利用非對(duì)稱多層膜體系,實(shí)現(xiàn)了室溫下單個(gè)斯格明子的成核,并且所需要的外場(chǎng)很小(約幾十毫特斯拉),從而大大地降低了能耗.

這種非對(duì)稱多層膜的物理結(jié)構(gòu)為:在不同的重金屬薄膜層(如Ir和Pt)之間夾一鐵磁層,形成“重金屬A/鐵磁層/重金屬B”的三明治結(jié)構(gòu),并以此為基本單元,重復(fù)疊加,形成多層膜.這一新型的體系主要有兩大優(yōu)勢(shì),首先,由于磁性薄膜的多次疊加,有效的磁體積增大,可以大大提高體系的熱穩(wěn)定性.其次,如果重金屬A和B與鐵磁層的界面DMI剛好相反,則在“重金屬A/鐵磁層/重金屬B”三層膜中,鐵磁層能得到一個(gè)較大的附加手性相互作用.

如圖6(a),該多層膜的基本單元為Ir/Co/Pt,Co/Ir之間的DMI與Co/Pt之間的DMI方向相反[73],因此,鈷層上下表面的DMI方向一致,使鈷層附加一個(gè)很大的DMI.通過掃描透射X射線顯微術(shù)(STXM)成像,可以很清楚地觀測(cè)到該體系的磁結(jié)構(gòu)隨外場(chǎng)的變化,如圖6(b).在完全磁化之前,當(dāng)外場(chǎng)μ0H⊥=68 mT時(shí),出現(xiàn)了圓形磁疇,選取特定的圓形磁疇,研究其大小與外場(chǎng)之間的變化關(guān)系,得到如圖6(c)的X射線磁圓振二向色性信號(hào)(XMCD)圖,將實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬[74]的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,最后證實(shí)了鈷層確實(shí)有很大的DMI(D約為1.9 mJ·m?2),而且圓形磁疇也正是由較大的界面DMI所產(chǎn)生的拓?fù)鋽?shù)為1的斯格明子,而不是由偶極相互作用產(chǎn)生的磁泡[75?77].此外,還通過實(shí)驗(yàn)研究了由該多層膜構(gòu)成的納米盤和納米軌道上斯格明子大小隨外場(chǎng)的演變過程,并與微磁模擬進(jìn)行對(duì)比,兩者能夠很好地符合.綜上所述,考慮到這種非對(duì)稱多層膜的兩大優(yōu)勢(shì),不僅能實(shí)現(xiàn)在室溫下單個(gè)斯格明子的成核,而且僅需要幾十毫特斯拉的外場(chǎng)就能穩(wěn)定小于100 nm的斯格明子.顯然,這一突破性進(jìn)展又為斯格明子賽道存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)提供了新的思路.

圖6 非對(duì)稱多層膜中斯格明子的成核 (a)多層膜的基本單元Ir/Co/Pt,及鈷層與Pt和Ir層之間的附加DMI的示意圖;(b)外場(chǎng)B=68 mT時(shí),STXM成像;(c)外場(chǎng)B=22 mT時(shí),圓形磁疇(斯格明子)的XMCD圖,其中虛線為理想的半徑為60 nm斯格明子的磁化曲線[20]Fig.6. The creation of skyrmion in asymmetric magnetic multilayers:(a)Illustration of the additive Dzyaloshinski-Moriya interaction(DMI)induced by different heavy metals(Ir and Pt)sandwiching a magnetic layer(Co);(b)a 1.5×1.5μm2 out-of-plane magnetization(m z)map obtained by STXM on a(Ir|Co|Pt)10 multilayer at r.t.for applied out-of-plane magnetic fields of 68 mT;(c)experimental X-ray magnetic circular dicroism(XMCD)signal through a magnetic circular domain(skyrmion)as observed at 22 mT(b lack dots),and the blue dashed curve is the magnetization profile of an ideal 60 nm-diameter skyrmion[20].

2.3 其他成核方式

除了上面所介紹的方法,Zhou和Ezawa[17]以及Jiang等[18]分別從理論和實(shí)驗(yàn)提出了另一種成核方式,即在一個(gè)對(duì)稱的受限幾何結(jié)構(gòu)中,帶狀磁疇通過連接左右對(duì)稱區(qū)域的窄條,可以轉(zhuǎn)換成斯格明子.如圖7,該體系所選用的材料為Ta/CoFeB/TaOx,初始時(shí),窄條的左右兩邊都是飽和的磁化狀態(tài),加上垂直外場(chǎng)B=+0.5 mT時(shí)均產(chǎn)生不規(guī)則的帶狀磁疇,從左端通入時(shí)間為1 ns,大小為5×105A·cm?2的單脈電流后,磁疇開始運(yùn)動(dòng),到達(dá)細(xì)頸時(shí),由于幾何限制,電流不均勻分布,從而驅(qū)動(dòng)磁疇通過細(xì)頸.有趣的是,當(dāng)磁疇到達(dá)細(xì)頸末端時(shí),就會(huì)轉(zhuǎn)變成完整的斯格明子泡泡到達(dá)右邊區(qū)域,由于受拓?fù)浔Ｗo(hù)作用,右邊的斯格明子就會(huì)一直穩(wěn)定地存在,可進(jìn)行有效的電流驅(qū)動(dòng).這個(gè)動(dòng)態(tài)過程類似于用吸管吹肥皂泡的過程,因此,也把這種成核方式形象的稱為“吹斯格明子”.雖然通過這種動(dòng)態(tài)的成核方式所產(chǎn)生的斯格明子尺寸偏大(一般為幾百納米,甚至是1μm),但是可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)材料的具體參數(shù),改變各種相互作用的競爭,使斯格明子的尺寸減小[37,49,78],而且這種方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在室溫下的操控,所以有望應(yīng)用于斯格明子的賽道存儲(chǔ).

圖7 斯格明子泡泡在Ta/CoFeB/TaO x三層膜的受限幾何結(jié)構(gòu)中由電流誘導(dǎo)的成核過程[18]Fig.7.The nucleation of skyrmionic bubbles in a Ta/CoFeB/TaO x trilayer by the current-induced expansion of domains at the exit of a constriction[18].

此外,Koshibae和Nagaosa[79]從理論上提出可以用激光輻射進(jìn)行局部加熱來產(chǎn)生斯格明子.這種方法的物理模型與自旋極化電流產(chǎn)生斯格明子非常相似,所不同的是這里取一個(gè)圓形區(qū)域進(jìn)行局部加熱,而不是注入自旋極化電流.利用這種方式也可以產(chǎn)生單個(gè)斯格明子,且主要取決于加熱的強(qiáng)度和時(shí)間.但是,由于需要提供激光裝置,若用于賽道存儲(chǔ)的寫入磁頭,可能會(huì)使裝置變得更為復(fù)雜.

3 斯格明子在賽道上的運(yùn)動(dòng)

在討論了斯格明子的成核問題之后,我們所關(guān)心的另一個(gè)問題就是如何去驅(qū)動(dòng)它.在此之前,人們對(duì)于疇壁的研究相對(duì)而言較為成熟,其中,利用電流驅(qū)動(dòng)疇壁的研究激發(fā)了人們將類似的方法應(yīng)用于斯格明子驅(qū)動(dòng)上的靈感,并且最初發(fā)現(xiàn)斯格明子晶體的材料都具有一定的導(dǎo)電性.因此,在有關(guān)斯格明子賽道存儲(chǔ)器的研究中,注入電流也就成為了較早的一種驅(qū)動(dòng)方法.當(dāng)注入自旋極化電流時(shí),傳導(dǎo)電子的自旋和斯格明子中的磁矩發(fā)生相互作用,產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩,從而促使斯格明子運(yùn)動(dòng).當(dāng)然,隨著科技的進(jìn)步,越來越多的驅(qū)動(dòng)方法不斷涌現(xiàn)出來,其中的機(jī)理也不盡相同.因此,本部分我們主要對(duì)驅(qū)動(dòng)斯格明子的一些基本方法做簡要的論述.

3.1 自旋極化電流驅(qū)動(dòng)斯格明子

近年來,利用自旋極化電流驅(qū)動(dòng)斯格明子,不僅在理論計(jì)算和數(shù)值模擬上取得了重大突破,在實(shí)驗(yàn)上也有很大的進(jìn)展.2010年,Jonietz等[80]在MnSi中首次發(fā)現(xiàn)了電流可以誘導(dǎo)斯格明子晶體的運(yùn)動(dòng);2012年,Yu等[81]利用洛倫茲透射電子顯微鏡在FeGe中直接觀察到了電流誘導(dǎo)Bloch斯格明子晶體的運(yùn)動(dòng);Woo,Tokunaga等多位研究者[13?18]也進(jìn)一步研究了室溫下斯格明子在電流驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)情況.此外,Schulz等[38]和Everschor等[40]分別利用貝里相分析和Thiele方程理論解析得到了斯格明子的運(yùn)動(dòng),這些工作都證明了斯格明子確實(shí)能像磁疇壁一樣,可以通過自旋極化電流所產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移矩來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)[33,37,39].

3.1.1 自旋極化電流的兩種注入方式

利用自旋電流驅(qū)動(dòng)斯格明子時(shí)有兩種注入方式,即面內(nèi)注入(current flowing in the film plane,CIP)和垂直膜面注入(current flowing perpendicular to the film plane,CPP)[82?84].前者是平行于鐵磁層面內(nèi)注入自旋極化電流,對(duì)局域磁矩產(chǎn)生面內(nèi)自旋轉(zhuǎn)移力矩從而驅(qū)動(dòng)磁性斯格明子;后者則是垂直于鐵磁層注入自旋極化電流,為實(shí)現(xiàn)這一操作,通常可以利用自旋閥或者磁性隧道結(jié),亦或是自旋霍爾器件來產(chǎn)生自旋極化電流.對(duì)于自旋閥或者磁性隧道結(jié)[85,86],普通電流經(jīng)過釘扎層后變成極化電流,通過間隔層后便作用于鐵磁自由層;而對(duì)于自旋霍爾體系[87?90],由鐵磁層和重金屬層構(gòu)成雙層膜結(jié)構(gòu),向重金屬層注入普通電流后,由于重金屬層的自旋散射作用,使重金屬層上下表面積累反向的自旋電子,從而形成純自旋流垂直注入鐵磁層.自旋極化電流或者純自旋流通過鐵磁層時(shí)都會(huì)對(duì)局域磁矩產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移力矩的作用,從而使斯格明子發(fā)生運(yùn)動(dòng).

在微磁學(xué)模型中,三維含時(shí)的磁化動(dòng)力學(xué)方程為Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程,考慮自旋極化電流的作用時(shí),其形式為

其中Ms為飽和磁化強(qiáng)度,m=M(r,t)/Ms=m(r,t)為單位磁化矢量,表示任一時(shí)刻和位置的磁矩方向;γ為旋磁比;Heff為與交換能、磁晶各向異性能、塞曼能及DMI能等有關(guān)的有效場(chǎng);α為阻尼系數(shù).方程右邊第一項(xiàng)表征磁矩繞著有效場(chǎng)的拉莫爾進(jìn)動(dòng),第二項(xiàng)表示磁矩向平衡態(tài)弛豫的阻尼力矩,第三項(xiàng)即為自旋極化電流所產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移力矩.

對(duì)于面內(nèi)注入[37,83,91],

對(duì)于垂直膜面注入[84,94,95],

其中b=γ～p/(2μ0eMstF),tF為鐵磁層厚度,p為自旋極化率,為極化單位矢量;若為自旋霍爾器件,則j=jHM,p=?SH,jHM,?SH分別表示通過重金屬層的普通電流大小以及自旋霍爾角.對(duì)于自旋霍爾器件,除了上面所提到的力矩,實(shí)際上,由于界面效應(yīng)(如Rashba edelstein效應(yīng)[96]),還存在一個(gè)正交的類場(chǎng)力矩,但這一力矩的影響較小,斯格明子的運(yùn)動(dòng)通常主要取決于上面所提及的力矩,因此,在進(jìn)行解析計(jì)算或數(shù)值模擬的時(shí)候,往往忽略掉了類場(chǎng)力矩.

3.1.2 斯格明子的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

在利用自旋極化電流(或純自旋流)驅(qū)動(dòng)斯格明子時(shí),無論是面內(nèi)注入還是垂直注入,斯格明子往往同時(shí)具有縱向(沿電流方向)和橫向(垂直于電流方向)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng).Iwasaki等[39]首次利用數(shù)值實(shí)驗(yàn)展示了在無限大MnSi膜中面內(nèi)注入電流驅(qū)動(dòng)Bloch斯格明子晶體的情形,結(jié)果顯示,斯格明子的去釘扎電流明顯比螺旋相的小,并且當(dāng)α=β時(shí),斯格明子呈現(xiàn)出縱向和橫向兩個(gè)方向的速度,橫向速度主要是由于斯格明子的非拓?fù)淦接菇Y(jié)構(gòu),使得拓?fù)鋽?shù)不為0,從而引起一個(gè)不為0的馬格努斯力的作用,導(dǎo)致斯格明子發(fā)生橫向漂移,通常稱之為斯格明子的霍爾效應(yīng).Sampaio等[37]利用微磁模擬,研究了面內(nèi)注入電流時(shí)Néel斯格明子的運(yùn)動(dòng)情況,與Bloch型斯格明子一樣,當(dāng)α=β時(shí),有兩個(gè)速度分量,而當(dāng)α=β時(shí),只有縱向速度,這與Thiele方程[97]解析推導(dǎo)得到的結(jié)果一致,

從圖8中可以清楚地看到速度的大小與驅(qū)動(dòng)電流的大小成正相關(guān),驅(qū)動(dòng)電流越大,斯格明子的速度越大,對(duì)于斯格明子的賽道存儲(chǔ),為了提高信息的存取效率,我們肯定期望速度越大越好,即增加驅(qū)動(dòng)電流.但是,在電流增加的同時(shí),斯格明子的橫向速度也在增加,當(dāng)電流超過某一臨界值時(shí),斯格明子受到的馬格努斯力將大于賽道邊界的排斥作用,從而導(dǎo)致斯格明子的湮沒,攜帶的信息也隨之丟失,這不是我們希望看到的結(jié)果,所以,驅(qū)動(dòng)電流也不是越大越好,要綜合考慮邊界的排斥作用力.但是,若想得到更大的速度,就必須設(shè)法增加邊界勢(shì)壘,或者利用其他的方法來抑制斯格明子的霍爾效應(yīng),相關(guān)的內(nèi)容將在本文的第5部分會(huì)有較詳細(xì)的介紹.

圖8 (a)垂直注入自旋極化電流后斯格明子在納米賽道上的運(yùn)動(dòng)軌跡;(b)在垂直膜面注入(藍(lán)色線)和平行面內(nèi)注入(黃色、橙色、棕色分別代表β為0.15,0.30,0.60)的兩種方式下斯格明子的縱向速度v與電流密度大小j的關(guān)系[37]Fig.8.(a)Trajectory of a skyrmion driven by a vertical spin-polarized current in a nanotrack;(b)skyrmion velocity v as a function of current density j for in-plane currents with different values of the non-ad iabaticity parameter β(0.15,0.30 and 0.60 in yellow,orange and brown lines and circles,respectively)and for vertical currents(blue line,squares for isolated skyrmion,crosses for the chain)[37].

3.1.3 斯格明子間及其與邊界的相互作用

在基于斯格明子的賽道存儲(chǔ)中,斯格明子作為數(shù)據(jù)位來存儲(chǔ)信息.因此,斯格明子比特之間的間距能在很大程度上影響存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)密度,其間距越小,存儲(chǔ)密度越大.當(dāng)然,我們想要的存儲(chǔ)密度是越大越好,也就是斯格明子比特間距越小的情況.但是由于兩個(gè)斯格明子的自旋構(gòu)形有重疊部分,導(dǎo)致了斯格明子間的相互作用,并隨著間距的增大而呈指數(shù)減小[98].當(dāng)斯格明子的初始間距di較小時(shí),間距會(huì)隨著斯格明子的運(yùn)動(dòng)而變化.有關(guān)CoPt材料[32,36,37]的模擬結(jié)果顯示:當(dāng)di=30 nm時(shí),斯格明子間距在0—1 ns時(shí)顯著增加;當(dāng)di增加到57 nm時(shí),間距的增加速度大幅度減小;繼續(xù)增大di到62 nm,在模擬的時(shí)間內(nèi)間距基本不變.所以,對(duì)于這些材料來說,di>62 nm可以作為寫入和讀取連續(xù)斯格明子比特過程的理想間距,也叫比特長度.從模擬結(jié)果中可以看出,di>57 nm也是一個(gè)可行的斯格明子比特間距.并且在Fert等[32]和Sampaio等[37]的研究中所采用的斯格明子比特間距為60 nm,恰好也證實(shí)了這個(gè)結(jié)論.對(duì)于更普遍的情況,理想間距約為材料的DMI螺旋長度LD(LD=4πA/|D|)[99],可行的間距約為0.9LD.

圖9 在寬為40 nm的跑道上,垂直注入驅(qū)動(dòng)電流,斯格明子比特鏈在不同的賽道末端和不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)情況 賽道末端沒有三角形凹槽,(a)t=0 ns,(b)t=10 ns;賽道末端有三角形凹槽,(c)t=0 ns,(d)t=0.95 ns,(e)t=0.975 ns,(f)t=1 ns,(g)t=1.025 ns,(h)t=1.05 ns,(i)t=1.075 ns,(j)t=1.1 ns,(k)t=1.125 ns,(l)t=1.15 ns[36]Fig.9.Vertical-current-d riven motion of a skyrmionic bit chain at the end of the 40-nm-wide racetrack without any notch at(a)t=0 ns,(b)t=10 ns,and at the end of the racetrack with a notch at(c)t=0 ns,(d)t=0.95 ns,(e)t=0.975 ns,(f)t=1 ns,(g)t=1.025 ns,(h)t=1.05 ns,(i)t=1.075 ns,(j)t=1.1 ns,(k)t=1.125 ns and(l)t=1.15 ns[36].

當(dāng)斯格明子運(yùn)動(dòng)到讀出元件時(shí),讀出元件將斯格明子攜帶的信息由磁信號(hào)轉(zhuǎn)化為其他形式的信號(hào).此后,斯格明子不能再次進(jìn)入使用.當(dāng)其靠近賽道末端時(shí),由于斯格明子之間和斯格明子與邊界[33,36]的排斥作用,斯格明子會(huì)在賽道的末端發(fā)生擁堵,其間距和大小都明顯變小,如圖9(a)和圖9(b)所示.雖然電流能使斯格明子順利地離開賽道,但需要足夠大的電流密度(在參考文獻(xiàn)[36]中約為1011A/m2),才能使斯格明子在電流的驅(qū)動(dòng)下克服賽道末端邊緣的排斥力而離開賽道,從而導(dǎo)致高能耗.Zhang等[36]提出在賽道末端設(shè)計(jì)一個(gè)三角形凹槽來避免斯格明子的堵塞,如圖9(c)—(l).這種方案可以利用高分辨率的納米光刻來實(shí)現(xiàn),而且不需要增大電流.圖9(d)—(l)顯示了斯格明子在0.2 ns內(nèi)的抹除過程.當(dāng)移動(dòng)的斯格明子靠近凹槽邊緣時(shí),斯格明子轉(zhuǎn)化為疇壁,然后通過電流最終被清除.在這一過程中,斯格明子比特鏈在末端并沒有發(fā)生擠壓,而是連貫地一起運(yùn)動(dòng),表明這種方案在技術(shù)層面,傳輸和擦除數(shù)據(jù)具有一定的可行性.

3.2 壓控磁各向異性效應(yīng)

在操縱斯格明子運(yùn)動(dòng)方面,最近比較熱門的是利用壓控磁各向異性 (voltage-controlled magnetic anisotropy,VCMA)效應(yīng)來控制斯格明子的運(yùn)動(dòng).通過外加局域電場(chǎng)導(dǎo)致電荷積累,因此,外加電場(chǎng)區(qū)域的垂直磁各向異性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)發(fā)生改變,影響斯格明子的運(yùn)動(dòng)[100,101]. 其中,外加電場(chǎng)區(qū)域的PMA值Kuv與電場(chǎng)強(qiáng)度E呈線性變化關(guān)系,Kuv=Ku+?KuvE[100,102],?Kuv是一個(gè)由電壓導(dǎo)致垂直各向異性變化的強(qiáng)度來決定的物理量.Shiota等[103]的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)這一線性關(guān)系.本節(jié)主要介紹近年來關(guān)于壓控磁各向異性效應(yīng)下斯格明子運(yùn)動(dòng)的研究.

3.2.1 基于斯格明子的類晶體管器件

Zhang等[104]基于壓控磁各向異性效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種斯格明子類晶體管器件,門控電壓施加在納米賽道的中心區(qū),在距離納米賽道左端90 nm處利用磁隧道結(jié)產(chǎn)生一個(gè)斯格明子,然后通過自旋電流使它向賽道右端移動(dòng).門控區(qū)域的PMA值可以通過局域的外加電壓來控制,也就是上面所說的壓控磁各向異性效應(yīng).圖10是驅(qū)動(dòng)電流密度j為5 MA/cm2時(shí)不同Kuv下斯格明子晶體管的工作狀態(tài).最初,賽道上沒有注入自旋電流和外加局域電場(chǎng),斯格明子位于賽道左端,Kuv=Ku,如圖10最上面的賽道所示.在這種情況下,若注入自旋電流,斯格明子能在11 ns后從左邊運(yùn)動(dòng)到賽道的右邊,意味著這種條件下電壓門控處于打開狀態(tài)(ON).當(dāng)自旋電流和局域電場(chǎng)打開,對(duì)于Kuv=1.10Ku,斯格明子不能進(jìn)入門控區(qū)域,將被釘扎在電壓門控的左端,此時(shí)的電壓門控處于關(guān)閉狀態(tài)(OFF).對(duì)于Kuv=0.90Ku,斯格明子能進(jìn)入門控區(qū)域但不能從電壓門控的右端離開,并在靠近右端時(shí)發(fā)生釘扎,表明電壓門控是關(guān)閉狀態(tài).

圖10 在相同的時(shí)間和工作條件下,納米賽道的俯視圖,彩色部分表示磁化強(qiáng)度的面外分量,黑線陰影表示電壓控制的PMA區(qū)域[104]Fig.10.The top-view of the nanotracks under the same working conditions at selected times.The color scale denotes the out-of-plane component of the magnetization. The black-line shadows rep resent the voltage-controlled PMA region[104].

當(dāng)然,斯格明子類晶體管器件的工作狀態(tài)不僅可以通過外加局域電場(chǎng)的強(qiáng)度來調(diào)節(jié),也受驅(qū)動(dòng)電流的密度j,DMI常數(shù)D的影響[104].即使Kuv=Ku,當(dāng)j大于某臨界值時(shí),其工作狀態(tài)也能轉(zhuǎn)化為打開狀態(tài).而且,斯格明子類晶體管器件工作狀態(tài)對(duì)DMI常數(shù)D也具有依賴性.除此之外,Zhang等還設(shè)計(jì)了三種不同規(guī)格的一類晶體管器件用來研究斯格明子晶體管大小的影響,模擬結(jié)果顯示在相同的條件下類晶體管器件的工作狀態(tài)是類似的,其結(jié)果很好地說明了這種基于斯格明子的類晶體管模型具有穩(wěn)定性和可縮性.

在納米賽道上,局域的外加電場(chǎng)導(dǎo)致不同的PMA,不同的PMA又會(huì)產(chǎn)生勢(shì)壘.而斯格明子的能量和大小也受磁各向異性的影響,例如斯格明子能量[104].模擬結(jié)果顯示,在納米賽道上可能使斯格明子發(fā)生釘扎.若Kuv=Ku,在納米賽道上沒有勢(shì)壘,斯格明子在自旋電流的驅(qū)動(dòng)下能順利地從賽道左邊運(yùn)動(dòng)到右邊.若KuvKu,則在門控區(qū)域的左邊形成一個(gè)勢(shì)壘,右邊形成一個(gè)勢(shì)井,斯格明子不能通過左邊.然而當(dāng)自旋電流的密度j大于某臨界值時(shí),斯格明子能獲得足夠大的動(dòng)力來克服勢(shì)壘,類晶體管器件的工作狀態(tài)也就由關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)化為打開狀態(tài).

3.2.2 斯格明子賽道存儲(chǔ)器中電壓門控的應(yīng)用

壓控磁各向異性效應(yīng)不僅可以運(yùn)用在斯格明子晶體管上,還可以運(yùn)用在斯格明子賽道存儲(chǔ)器中.最近,Kang等[105]基于電壓門控所設(shè)計(jì)了一種斯格明子賽道存儲(chǔ)器模型.這一模型包含五個(gè)部分:產(chǎn)生斯格明子的寫入磁頭,斯格明子運(yùn)動(dòng)的納米賽道,讀取斯格明子的讀出磁頭,VCMA門和外圍的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路.剛開始,通過寫入磁頭的自旋閥注入自旋極化電流產(chǎn)生斯格明子.然后,垂直注入的自旋電流驅(qū)動(dòng)斯格明子沿著納米賽道運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)過程中通過改變加在VCMA門上的電壓來調(diào)節(jié)賽道的磁各向異性,控制斯格明子的釘扎與退釘扎.最后,由于隧道磁阻效應(yīng),讀出磁頭的磁隧道節(jié)讀取斯格明子所攜帶的信息.

圖11 斯格明子沿納米賽道的運(yùn)動(dòng)軌跡 (a)控制電壓的情況;(b)調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流的情況[105]Fig.11.Trajectory of the skyrmion motion along the nanotrack:(a)The case of controlling the on/offvoltage of the VCM A gate,and(b)the case of modulating the driving current configuration[105].

圖11 所示為上述賽道存儲(chǔ)器模型中控制斯格明子運(yùn)動(dòng)的兩種方案.對(duì)于第一種方案,斯格明子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是通過VCMA門閥區(qū)域的電壓精準(zhǔn)控制.當(dāng)外加在門閥區(qū)域的電壓斷開,斯格明子所受的驅(qū)動(dòng)力不足以克服VCMA門閥區(qū)域的能量勢(shì)壘,因此,斯格明子停在門閥區(qū)域的左邊.當(dāng)電壓閉合時(shí),斯格明子通過VCMA門閥,繼續(xù)沿著納米賽道移動(dòng).斯格明子在此方案下沿著納米賽道的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖11(a).這種方案可以通過沿著納米賽道均勻地放置VCMA門來實(shí)現(xiàn)斯格明子按照時(shí)間頻率一步一步地運(yùn)動(dòng).對(duì)于第二種方案(如圖11(b)),斯格明子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是在VCMA門閥區(qū)域的Kuv不變的情況下利用驅(qū)動(dòng)電流來控制.總的驅(qū)動(dòng)電流分為直流和交流部分,直流部分的電流密度是有限的.在直流電流下,斯格明子被釘扎在VCMA門閥區(qū)域的左邊,不能順利地運(yùn)動(dòng)到納米賽道的右端.然而,當(dāng)交流電流打開時(shí),斯格明子在總電流的驅(qū)動(dòng)下通過VCMA門閥.這種方案為設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)調(diào)控驅(qū)動(dòng)電流的斯格明子存儲(chǔ)器提供了更多的自由.

3.3 其他驅(qū)動(dòng)方式

最近,Zhang等[106]提出一種新的驅(qū)動(dòng)方式,即利用自旋波驅(qū)動(dòng)納米賽道上的斯格明子.如圖12所示,首先在靠近脈沖元件的右端處產(chǎn)生一個(gè)斯格明子并弛豫至穩(wěn)態(tài)或者亞穩(wěn)態(tài),再將磁脈沖加在脈沖元件上,這時(shí)的脈沖元件可以看作是一個(gè)微波天線[107?109],最后由此激發(fā)的自旋波能驅(qū)使斯格明子向賽道的末端移動(dòng).除此之外,由于斯格明子的運(yùn)動(dòng)會(huì)直接影響賽道存儲(chǔ)器的運(yùn)行,而斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度vsk就是其中一個(gè)非常重要的物理量.通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn):一開始斯格明子是靜止的,當(dāng)自旋波傳播到斯格明子所在位置時(shí),它開始加速,加速度a與自旋波的量級(jí)和斯格明子的半徑rs有關(guān).當(dāng)DMI常數(shù)D增大和PMA常數(shù)K減小時(shí),rs增加[36,37],a也跟著增大.當(dāng)自旋波的振幅和頻率增大,導(dǎo)致較高的能量,因此a也相應(yīng)地增大.在一段時(shí)間后,斯格明子的速度與自旋波的速度vsw相等,vsk(t)=vsw(t).最后,由于自旋波的衰減,vsw(x)=ce?dx,所以斯格明子的速度以指數(shù)方式衰減,vsk(t)正比于e?bt,vsk(t)=ate?bt. 另外,交換強(qiáng)度A和飽和磁化強(qiáng)度Ms也會(huì)對(duì)斯格明子速度產(chǎn)生一定的影響.

此外,斯格明子作為一種準(zhǔn)粒子在溫度梯度下的運(yùn)動(dòng)并不像疇壁那樣,而是向高溫區(qū)域移動(dòng),似乎具有負(fù)擴(kuò)散系數(shù),這與通常的布朗運(yùn)動(dòng)相反.Zang和Kong[110]對(duì)溫度梯度下薄膜中的斯格明子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入的研究,并采用了一種基于磁振子的動(dòng)力學(xué)理論對(duì)這一現(xiàn)象給出了解釋.此外,通過磁輔助理論進(jìn)行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):在外加溫度梯度的條件下,通過調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)H到某一臨界值,斯格明子晶體在擴(kuò)散過程中一點(diǎn)點(diǎn)地消失,最終在薄膜上產(chǎn)生單個(gè)斯格明子.隨著模擬的進(jìn)行,斯格明子在隨機(jī)場(chǎng)的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng).斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度隨溫度梯度的變化如圖13(a)所示,縱向速度vx與溫度梯度呈正比關(guān)系,橫向速度vy與溫度梯度的關(guān)系也是非零線性的,但是vx比vy要大幾乎一個(gè)數(shù)量級(jí).除此之外,Gilbert阻尼系數(shù)α對(duì)斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)產(chǎn)生影響,如圖13(b)所示.縱向速度vx與α呈反比關(guān)系,橫向速度vy與α基本無關(guān).

除了以上所提及的方式之外,微波場(chǎng)也可以驅(qū)動(dòng)斯格明子,但是這種驅(qū)動(dòng)方式需要一個(gè)前提條件——斯格明子的軸對(duì)稱必須被破壞.最近,Wang等[111]利用一個(gè)二維系統(tǒng)面內(nèi)的靜態(tài)外場(chǎng)來破壞斯格明子的軸對(duì)稱,并通過數(shù)值求解二維系統(tǒng)中經(jīng)典自旋模型的LLG方程,從理論上證明了斯格明子隨微波場(chǎng)的移動(dòng).

圖12 在納米賽道中,利用SW驅(qū)動(dòng)的斯格明子,有圖案的長方形表示脈沖元素,彩色部分表示磁化強(qiáng)度m z的面外分量[106]Fig.12.The propagation of a skyrmion driven by SW in nanotrack.The pattern boxes denote the pulse elements.The color scale presents the out-of-plane component of the magnetization m z[106].

圖13 (a)斯格明子速度與溫度梯度之間的線性關(guān)系;(b)斯格明子速度與Gilbert阻尼系數(shù)α的關(guān)系[110]Fig.13.(a)A linear scaling between the velocity and the temperature gradient;(b)the scaling of skyrmion velocity with the Gilbert dam ping α[110].

4 斯格明子在賽道上的讀出

在信息存儲(chǔ)的過程中,信息不僅要能完成寫入和傳輸,還要能準(zhǔn)確地讀出.而在基于斯格明子的賽道存儲(chǔ)過程中,信息的讀出過程就是探測(cè)斯格明子的過程.因此,準(zhǔn)確地探測(cè)到斯格明子是實(shí)現(xiàn)斯格明子賽道存儲(chǔ)的基本條件之一.目前,我們所了解到的主要是考慮利用拓?fù)浠魻栃?yīng)和磁阻效應(yīng)這兩種探測(cè)斯格明子的方案來解決讀出問題.

4.1 拓?fù)浠魻栃?yīng)

斯格明子是一種特殊的磁疇結(jié)構(gòu),其中心磁矩與邊緣磁矩呈反平行排列,而中間過渡區(qū)域的磁矩連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng).總體而言,斯格明子是一種非共面的自旋結(jié)構(gòu).當(dāng)傳導(dǎo)電子經(jīng)過斯格明子時(shí),由于電子自旋要與斯格明子內(nèi)部的局域自旋發(fā)生耦合,使得電子的自旋方向來回地變化,最終電子可以獲得一個(gè)貝里相.如果這兩者的耦合作用比較強(qiáng)烈(絕熱條件),那么傳導(dǎo)電子的自旋總會(huì)受到一個(gè)垂直于運(yùn)動(dòng)方向的有效力,迫使它與局域自旋呈平行排列,并且這個(gè)有效力與斯格明子的拓?fù)鋽?shù)有關(guān),文獻(xiàn)[2]稱此為“拓?fù)淞Α?從斯格明子的角度來講,由于非共面的磁矩排列會(huì)產(chǎn)生一個(gè)激發(fā)電磁場(chǎng),從而使電子橫向漂移,形成一個(gè)可測(cè)量的霍爾電壓,最終實(shí)現(xiàn)斯格明子的探測(cè)[2,41,112](如圖14).

對(duì)于拓?fù)浠魻栃?yīng),已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在非中心對(duì)稱材料中存在較大的拓?fù)浠魻栯妷?例如MnSi塊狀晶體[113?115],B20型的立方M nGe[116].最近,在低溫下的納米級(jí)FeGe霍爾棒結(jié)構(gòu)中,Kanazawa等[117]測(cè)得拓?fù)浠魻栯娮璧碾x散變化,不僅首次證明了由斯格明子產(chǎn)生的激發(fā)電磁場(chǎng)的量子性,也證明了利用全電氣化的方案探測(cè)單個(gè)斯格明子的可行性.

4.2 磁阻效應(yīng)

所謂磁電阻效應(yīng),是指材料的電阻率在外加磁場(chǎng)下會(huì)變化的現(xiàn)象,幾乎所有的金屬、合金或半導(dǎo)體都存在不同程度的磁阻效應(yīng).這是因?yàn)殡娮釉谕獯艌?chǎng)中運(yùn)動(dòng)會(huì)受到洛倫茲力的作用,同霍爾效應(yīng)一樣,電子的運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)或者做回旋運(yùn)動(dòng),從而影響電子的輸運(yùn),即材料的電阻.

圖14 當(dāng)電子流通過斯格明子時(shí),傳導(dǎo)電子與斯格明子的運(yùn)動(dòng)情況[3,118]Fig.14.Schematic picture of skyrmion motion and associated physical phenomena under the flow of electrons[3,118].

與鐵磁態(tài)相比,當(dāng)存在斯格明子時(shí),由于非共線的自旋排列將導(dǎo)致電子態(tài)發(fā)生一定的變化;其次,重金屬基底會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的自旋-軌道相互作用,將局域磁矩耦合到實(shí)空間方向,進(jìn)一步調(diào)整電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).這兩種效應(yīng)最終會(huì)一起影響隧穿電導(dǎo)或電阻[119].所以,若在讀出區(qū)域注入垂直于膜面的電流,可以利用磁阻效應(yīng)檢測(cè)斯格明子.其中,磁阻效應(yīng)又主要包括隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance,TMR)效應(yīng)、隧穿各向異性磁阻((tunneling)anisotropic magnetoresistance,(T)AMR)效應(yīng)[120?123]和非共線磁阻(non-collinear magnetoresistance,NCMR)效應(yīng)[124].而各向異性磁阻效應(yīng)來源于材料的固有特性,其物理基礎(chǔ)是自旋-軌道耦合導(dǎo)致的散射截面不同,其大小主要取決于電流與磁場(chǎng)的相對(duì)取向.當(dāng)電流與磁化方向平行時(shí),電阻最大;當(dāng)電流方向與磁化方向垂直時(shí),電阻最小.由于各向異性磁電阻變化非常小,通常只有百分之幾的量級(jí),很難辨別出不同自旋結(jié)構(gòu)[122,123].因此,這種方案不適用于實(shí)際的斯格明子設(shè)備.

目前最有望用于斯格明子設(shè)備的探測(cè)方法是NCMR效應(yīng)[124].這種效應(yīng)是由于較大的磁化梯度產(chǎn)生的能帶結(jié)構(gòu)變化而引起的,高度依賴于非共線的自旋結(jié)構(gòu)[119,124],而與斯格明子的拓?fù)湫再|(zhì)沒有直接的關(guān)系.在非共線自旋結(jié)構(gòu)中,兩個(gè)自旋通道之間的混合將會(huì)導(dǎo)致電子能帶結(jié)構(gòu)和局域態(tài)密度發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)斯格明子的電探測(cè)[124].相比于其他探測(cè)方案,例如TMR效應(yīng)、反?；魻栃?yīng)或拓?fù)浠魻栃?yīng),基于NCMR效應(yīng)的探測(cè)方法對(duì)非共線自旋結(jié)構(gòu)(如斯格明子)尤為敏感,在鐵磁體系中,可以很容易地區(qū)分開非共線自旋態(tài)和常規(guī)磁疇.其次,利用NCMR效應(yīng)來探測(cè)斯格明子,不需要在隧道結(jié)上提供磁反電極[124],從而使裝置的結(jié)構(gòu)大大簡化,而且可以實(shí)現(xiàn)全電式的讀取數(shù)據(jù),有效地降低能耗.此外,為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要,NCMR效應(yīng)也可以用于單個(gè)斯格明子逐一地有效檢測(cè).Hanneken等[124]和Crum等[119]分別利用簡化的緊束縛(tight-binding,T-B)模型和密度泛函方法從理論上解釋了這一方案的物理原理.而且Hanneken等在Pd Fe/Ir(111)上利用NCMR效應(yīng)成功地實(shí)現(xiàn)了斯格明子的探測(cè).圖15為STM探針測(cè)得樣品上斯格明子相的情況,表明通過這種方式能探測(cè)到直徑約為3 nm的斯格明子.

圖15 (a)STM下恒定電流透視圖,用不同顏色說明d I/d U信號(hào);黃色區(qū)域表示Pd Fe,紅色圓形區(qū)域表示磁性斯格明子;(b)兩個(gè)skyrmion的視圖,插圖表示沿著箭頭部分d I/d U的變化[124]Fig.15.(a)Perspective view of an STM constant-current image,color-coded with dI/d U signal;yellow areas indicate Pd Fe and red circular entities are magnetic skyrmions;(b)closer view of two skyrmions,d I/d U map,the inset presents a profile along the arrow[124].

5 斯格明子賽道存儲(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 基于高PM A材料的賽道邊界設(shè)計(jì)

5.1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念與物理模型

目前,由電流驅(qū)動(dòng)斯格明子的動(dòng)力學(xué)研究已經(jīng)取得了許多進(jìn)展,然而,基于斯格明子的賽道存儲(chǔ)的研究仍面臨著一些問題.例如,當(dāng)斯格明子在賽道上運(yùn)動(dòng)時(shí),由于受到馬格努斯力的作用將會(huì)偏離賽道方向,發(fā)生橫向漂移(即斯格明子的霍爾效應(yīng)),可能會(huì)使其在賽道邊緣處湮沒,造成信息的丟失.此外,若驅(qū)動(dòng)電流太小,斯格明子會(huì)堵塞在塞道的末端.對(duì)于斯格明子的霍爾效應(yīng),通常是增加賽道邊界的勢(shì)壘,從而避免在邊緣處的湮沒[51,52,125,126]. 其中,Fook等[52]和Lai等[127]利用不同的方法調(diào)節(jié)賽道邊緣處的垂直磁晶各向異性來產(chǎn)生勢(shì)壘,限制斯格明子在賽道中的運(yùn)動(dòng),解決了橫向漂移和堵塞等問題,并且斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度也大大增加,提高了信息的讀取速度.

Fook等[52]提出了通過精確控制光離子輻射來調(diào)節(jié)賽道邊緣的PMA,使賽道中間區(qū)域的磁晶各向異性相比于兩側(cè)邊緣處的低一些.因此,當(dāng)斯格明子在賽道中間區(qū)域運(yùn)動(dòng)時(shí),磁矩的翻轉(zhuǎn)會(huì)遇到更低的阻力,從而可以順利地通過賽道而不發(fā)生湮沒.Fook等分別模擬了斯格明子在不加邊界勢(shì)壘和加了邊界勢(shì)壘的Co/Pt賽道上的運(yùn)動(dòng)情況.從模擬結(jié)果可以看出,這一新的賽道結(jié)構(gòu),既解決了斯格明子在邊緣處的湮沒問題,同時(shí)也大大提高了斯格明子在賽道上的運(yùn)動(dòng)速度.

Lai等[127]提出了一種更為簡單的改變賽道邊緣垂直磁晶各向異性的方法,即在Co/Pt賽道的兩個(gè)對(duì)稱邊緣添加具有高磁晶各向異性的材料,使得賽道的中間區(qū)域的磁晶各向異性低于賽道兩側(cè)邊緣的磁晶各向異性,防止了斯格明子在賽道邊緣處的湮沒,如圖16(a)所示.與Fook等提出的賽道模型相比,這一賽道模型不僅更容易調(diào)節(jié)賽道邊緣的磁晶各向異性,避免了高速運(yùn)動(dòng)的斯格明子在賽道邊緣處的湮沒和賽道末端的堵塞問題,而且斯格明子在此賽道上運(yùn)動(dòng)的速度比Fook等及其他課題組計(jì)算的速度要大得多.

5.1.2 邊界材料和電流密度大小的選取

Lai等[127]分別模擬了斯格明子在三種不同的高磁晶各向異性材料FePt,Nd2Fe14B和Sm Co5賽道上的運(yùn)動(dòng),如圖16(b)—(d)所示.增加電流的驅(qū)動(dòng)密度會(huì)使斯格明子成功地運(yùn)動(dòng)到賽道末端,但是也會(huì)增加馬格努斯力,導(dǎo)致朝向y方向的速度增加.因此,對(duì)于磁晶各向異性比較小的邊緣材料(比如FePt),若電流較小,斯格明子會(huì)堵塞在賽道末端;若電流較大,斯格明子會(huì)在賽道邊緣處湮沒.相比之下,如果邊界材料是磁晶各向異性比較大的材料(比如Nd2Fe14B和Sm Co5),則在大多數(shù)情況下,斯格明子都可以成功地通過塞道末端.只有當(dāng)電流密度非常大或者當(dāng)邊界材料非常窄時(shí),斯格明子才會(huì)在賽道的上邊緣處湮沒.

圖16 (a)斯格明子的賽道示意圖,其中間部分由CoPt材料制成,兩個(gè)對(duì)稱的邊緣部分由具有較高磁晶各向異性的材料制成,高磁晶各向異性材料的寬度由W edge表示;(b)—(d)在不同賽道邊緣寬度和電流密度的情況下,斯格明子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的計(jì)算相圖,空心三角形表示斯格明子受到馬格努斯力的作用,接觸到上邊緣而湮沒的狀態(tài);綠色實(shí)心三角形表示斯格明子成功地通過賽道末端的狀態(tài);紅色實(shí)心圓表示斯格明子堵塞在賽道末端的狀態(tài)[127]Fig.16.(a)Schematic of the proposed skyrmion racetrack,where the middle part is made of CoPt,whilst the two symmetrical edge parts are made of a material with a higher anisotropy with a width denoted by wedge.(b)–(d)Calcu lated phase diagrams for the motion of the skyrmions with various values of the racetrack edge width and the current density.The open triangles denote the phase where skyrmions will annihilate by touching the upper edge due to the Magnus force.The filled green triangle corresponds to the skyrmion phase at which it can reach the right end of the racetrack and pass th rough it.The red circle stands for the phase where skyrmions will clog at the right end of the racetrack[127].

表1是斯格明子在不同結(jié)構(gòu)的Co/Pt賽道中沿x方向的運(yùn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)電流密度的比較.圖16所采用的數(shù)據(jù)是表1中的第三項(xiàng)和第四項(xiàng),1 MA/cm2的電流密度對(duì)應(yīng)著斯格明子約10 m/s的運(yùn)動(dòng)速度.從表1中可以看出,改變賽道的結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)可有效地提高斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度.例如,采用表1中的第五、第六項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,斯格明子在改進(jìn)后的賽道中的運(yùn)動(dòng)速度可以達(dá)到300 m/s,這遠(yuǎn)大于在其他賽道中的速度.

5.2 反鐵磁耦合的雙層以及多層膜體系

對(duì)于斯格明子在電流驅(qū)動(dòng)下所產(chǎn)生的斯格明子霍爾效應(yīng),Zhang等[129]提出了一種反鐵磁耦合的賽道來抑制斯格明子霍爾效應(yīng),對(duì)設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)可用的斯格明子賽道存儲(chǔ)器具有一定的指導(dǎo)作用.

5.2.1 反鐵磁耦合的雙層膜體系

反鐵磁耦合的雙層膜體系如圖17所示,從上到下依次為頂部鐵磁層、絕緣層、底部鐵磁層和重金屬層.其中,頂部和底部鐵磁層都是垂直磁化,它們通過與重金屬層的反鐵磁交換相互作用而發(fā)生強(qiáng)耦合.當(dāng)自旋極化電流注入頂部鐵磁層產(chǎn)生斯格明子時(shí),底部鐵磁層也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的斯格明子,并且它們被夾層的反鐵磁耦合所聯(lián)系起來.像這樣的一對(duì)反鐵磁耦合的磁性斯格明子簡稱磁雙層斯格明子.對(duì)于驅(qū)動(dòng)電流的注入,即使電流只注入底部的鐵磁層,頂層的斯格明子也會(huì)跟隨底層的斯格明子一起運(yùn)動(dòng).因此,在自旋電流的驅(qū)動(dòng)下,當(dāng)夾層的反鐵磁交換耦合足夠大時(shí),作用在頂部和底部鐵磁層上斯格明子的馬格努斯力大小相等、方向相反,相互抵消,斯格明子霍爾效應(yīng)被完全壓制,從而使磁雙層斯格明子能在不碰到邊界的情況下向前運(yùn)動(dòng).然而,當(dāng)頂部和底部的鐵磁層退耦合或者反鐵磁交換耦合較小時(shí),斯格明子霍爾效應(yīng)不能被完全壓制,導(dǎo)致頂部和底部的斯格明子會(huì)分別向左和向右運(yùn)動(dòng).當(dāng)斯格明子碰到納米賽道邊緣時(shí),斯格明子的結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞,然后湮沒.

表1 斯格明子在不同賽道中沿x方向的運(yùn)動(dòng)速度v x和驅(qū)動(dòng)電流密度j的比較Table 1.Comparison of skyrmion velocity v x and driving current j for different racetrack designed.

圖17 反鐵磁交換耦合雙層體系和雙層skyrmion的原理圖 (a)直徑為100 nm的AFM耦合雙層納米盤,用于雙層斯格明子的產(chǎn)生;(b)AFM耦合雙層納米賽道(500 nm×50 nm×3 nm)用于研究垂直于平面(CPP)的電流驅(qū)動(dòng)雙層斯格明子的運(yùn)動(dòng);(c)AFM耦合雙層納米賽道(500 nm×50 nm×3 nm)用于研究平面電流(CIP)驅(qū)動(dòng)的雙層斯格明子的運(yùn)動(dòng).在所有模型中,頂部FM層、底層FM層和絕緣間隔層的厚度均為1 nm,頂部FM層的初始狀態(tài)幾乎是自旋向上(指向+z),而底層FM層的初始狀態(tài)幾乎是自旋向下的(指向?z);(d)AFM耦合的納米盤中一對(duì)斯格明子(即雙層斯格明子)的圖解;(e)雙層斯格明子的側(cè)視圖;彩色刻度表示磁化強(qiáng)度的面外分量[129]Fig.17.Schematics of the antiferromagnetically exchange-coupled bilayer systems and the bilayer-skyrmion:(a)The AFM-coupled bilayer nanodisk with a diameter of 100 nm for bilayer-skyrmion creation;(b)the AFM-coupled bilayer nanotrack(500 nm×50 nm×3 nm)for the study of the motion of a bilayer-skyrmion driven by the current perpend icular to the plane(CPP);(c)the AFM-coupled bilayer nanotrack(500 nm×50 nm×3 nm)for the study of the motion of a bilayer-skyrmion driven by the in-plane current(CIP);in all the models,the thickness of both the top FM layer,the bottom FM layer and the insulating spacer are equal to 1 nm;the initial state of the top FM layer is almost spin-up(pointing along+z)and that of the bottom FM layer is almost spin-down(pointing along?z);(d)illustration of a pair of skyrmions(that is the bilayer-skyrmion)in an AFM-coupled nanodisk;(e)side view of the bilayer-skyrmion.The colour scale represents the out-of-plane component of the magnetization[129].

5.2.2 反鐵磁耦合的多層膜體系

如圖18所示,對(duì)于單層的反鐵磁耦合賽道,是由一個(gè)鐵磁層和一個(gè)位于鐵磁層下面的重金屬底層構(gòu)成.而N層的反鐵磁賽道[130]包括N個(gè)垂直磁化的鐵磁層和一個(gè)位于最下面的重金屬底層,這N個(gè)鐵磁層之間都有絕緣層.在N(N>2)層的反鐵磁賽道中,相鄰的鐵磁層通過鐵磁層/絕緣層/鐵磁層的界面發(fā)生反鐵磁交換耦合,所以相鄰鐵磁層的磁化方向是反平行.模擬結(jié)果顯示,在電流驅(qū)動(dòng)過程中,單層(N=1)和三層(N=3)反鐵磁耦合賽道中的斯格明子由于霍爾效應(yīng)的作用發(fā)生明顯的橫向移動(dòng).而雙層(N=2)和四層(N=4)反鐵磁耦合賽道中的斯格明子沿著賽道中心線運(yùn)動(dòng),斯格明子霍爾效應(yīng)并沒有得到表現(xiàn).這說明只有在N為偶數(shù)的N層反鐵磁賽道中,霍爾效應(yīng)被完全抑制,斯格明子才能沿著驅(qū)動(dòng)電流的方向做直線運(yùn)動(dòng).此外,模擬結(jié)果表明斯格明子運(yùn)動(dòng)的橫向速度vx與N近似呈反比關(guān)系[130].

圖18 包括FM單分子層在內(nèi)的雙層SAF,三層SAF和四層SAF賽道的仿真模型原理圖[130]Fig.18.Schematics of the simulation models including the FM monolayer,bilayer SAF,trilayer SAF,and quadrilayer SAF racetracks[130].

5.3 雙賽道模型

對(duì)于典型的斯格明子的賽道存儲(chǔ),以斯格明子的存在與否代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)“1”和“0”,理想狀態(tài)下,相鄰兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)之間的距離保持不變,如圖19(a),在賽道上每隔相同的距離編碼一個(gè)數(shù)據(jù),存在斯格明子,則為“1”,反之為“0”.然而在實(shí)際情況中,由于環(huán)境帶來的各種熱擾動(dòng)和存儲(chǔ)設(shè)備高頻運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的噪音,將會(huì)影響賽道上攜帶信息的斯格明子鏈重新分布,導(dǎo)致相鄰兩數(shù)據(jù)間的距離發(fā)生變化,從而使信息編碼有誤.比如,要想連續(xù)編碼多個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”,則在賽道上就會(huì)有一段較長的距離沒有斯格明子,而考慮到實(shí)際的各種干擾,當(dāng)斯格明子運(yùn)動(dòng)時(shí),它們之間的距離發(fā)生變化,因此無法準(zhǔn)確地確定“0”的個(gè)數(shù),這就可能造成信息的部分丟失.

基于以上討論,Müller等[131]提出了一種新的賽道模型,綜合考慮了信息的二進(jìn)制編碼及連續(xù)驅(qū)動(dòng),很好地解決了上面所提到的問題.其基本模型是在一條賽道上再增加一個(gè)斯格明子通道,構(gòu)成上下兩層的雙賽道,并以一個(gè)較高的能量勢(shì)壘將它們分開,二進(jìn)制數(shù)據(jù)全部編碼在斯格明子中.與原始的單賽道不同,在這種雙賽道中,數(shù)據(jù)的編碼與斯格明子之間的距離沒有關(guān)系,而是根據(jù)斯格明子所在的通道來區(qū)分“0”和“1”,即根據(jù)斯格明子到賽道中心的位移來判斷,當(dāng)斯格明子在賽道中心的上方時(shí)代表“0”,反之,則為“1”.基于此,在該模型中,信息的編碼將不再受斯格明子之間的距離影響,可以很好地抵抗外界的熱擾動(dòng),而且當(dāng)加入驅(qū)動(dòng)電流時(shí),斯格明子鏈仍然可以沿著賽道加速前進(jìn).此外,兩個(gè)賽道之間靠得足夠近,以至于兩賽道上的斯格明子之間存在較大的相互排斥作用,從而維持自身的運(yùn)動(dòng)軌跡,避免斯格明子在兩賽道上互相穿插,影響信息的存儲(chǔ).

Lai等[132]也對(duì)雙賽道進(jìn)行了研究,與Müller等[131]的模型相同的是,都以斯格明子所在的不同通道來編碼二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”(如圖19(b)),取代了原始的單賽道中以斯格明子的有無來編碼二進(jìn)制數(shù)據(jù)的方法.無論是數(shù)據(jù)位“1”,還是“0”,我們都能在賽道中探測(cè)到斯格明子,從而可以克服單通道賽道中由于數(shù)據(jù)位“0”的個(gè)數(shù)的不明確而造成的信息失真的問題.因此,這種數(shù)據(jù)編碼的方法顯得更加穩(wěn)定和可靠.而兩者不同的是,Lai等所考慮的雙賽道是兩個(gè)斯格明子通道水平排列,并由磁晶各向異性比較高的材料將其隔開,使斯格明子在各自的通道上運(yùn)動(dòng).

圖19 基于斯格明子的不同賽道模型及數(shù)據(jù)表示 (a)單賽道的數(shù)據(jù)表示;(b)雙賽道模型及其數(shù)據(jù)表示[132]Fig.19. Different skyrmion-based racetrack modes and data representation: (a)Rep resents a singlelane racetrack;(b)rep resent the two-lane racetrack modes[132].

Lai等[132]運(yùn)用三維模擬軟件OOMMF,模擬了斯格明子在兩個(gè)賽道中同時(shí)運(yùn)動(dòng)的情況,研究了斯格明子在各自賽道中運(yùn)動(dòng)而不發(fā)生橫穿行為的條件.模擬結(jié)果表明:一方面,斯格明子在雙通道的賽道中運(yùn)動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)電流越大,兩通道之間的距離越小,斯格明子的橫穿行為就越容易發(fā)生,但增加兩通道之間材料的磁晶各向異性可以形成較高的能量勢(shì)壘,從而阻止下側(cè)通道的斯格明子的橫向穿越,到達(dá)上側(cè)通道;此外,當(dāng)間隔材料的磁晶各向異性特別大或者特別小時(shí),兩通道之間的距離對(duì)斯格明子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的調(diào)制作用非常微弱,只有取合適值時(shí),這種調(diào)制作用才比較大;另一方面,通過研究基于不同的磁晶各向異性值,斯格明子在不同DMI常數(shù)和電流密度下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),驅(qū)動(dòng)電流越大,DMI常數(shù)D越大,斯格明子的橫穿行為就越容易發(fā)生;同樣,與間隔材料的磁晶各向異性也有關(guān)[132].由于斯格明子的尺寸由DMI和海森伯交換相互作用共同決定(lD=2A/D)[133],當(dāng)交換常數(shù)A不變時(shí),D增大,斯格明子的尺寸增大.因此,D值越大時(shí),下側(cè)通道中的斯格明子越容易越過中間的高PMA部分,進(jìn)入到上側(cè)通道.顯然,這一結(jié)果剛好與數(shù)值模擬符合.

此外,Kang等[134]也曾提出互補(bǔ)的斯格明子賽道結(jié)構(gòu),利用一個(gè)場(chǎng)控的Y型結(jié)決定斯格明子的去向.在他們的模型中同樣也是根據(jù)斯格明子所在的不同賽道來區(qū)分二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”,從而提高數(shù)據(jù)信息的穩(wěn)定性和有效性.

6 結(jié) 論

斯格明子的賽道存儲(chǔ)這一概念自提出以來,吸引了大量的科研人員對(duì)其進(jìn)行深入的研究,因此,近幾年得到了迅猛的發(fā)展.結(jié)合最新的研究成果,本文就斯格明子在賽道上的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)、讀出三個(gè)方面進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述.斯格明子的產(chǎn)生通常利用自旋極化電流、外加磁場(chǎng)、局部加熱等方法來實(shí)現(xiàn).這樣產(chǎn)生的斯格明子不僅能穩(wěn)定存在于幾十開爾文的低溫下,在某些情況下也可以在室溫下穩(wěn)定存在.其次,對(duì)于斯格明子在賽道上的運(yùn)動(dòng),注入自旋極化電流是較為常用的驅(qū)動(dòng)方式,分為面內(nèi)注入和垂直膜面注入.無論采取哪種注入方式,斯格明子在運(yùn)動(dòng)過程中都會(huì)同時(shí)擁有橫向和縱向兩個(gè)速度.相比之下,垂直膜面注入時(shí),驅(qū)動(dòng)效率更高.此外,在利用極化電流所產(chǎn)生的自旋轉(zhuǎn)移矩驅(qū)動(dòng)斯格明子時(shí),由于斯格明子的霍爾效應(yīng),可能會(huì)導(dǎo)致存儲(chǔ)信息的丟失,從而影響賽道存儲(chǔ)的有效性.增加賽道邊緣的勢(shì)壘,或者利用反鐵磁耦合的雙層膜體系都可以較好地解決這一問題.除了自旋極化電流,壓控磁各向異性效應(yīng)作為一種新的電處理方法也可以對(duì)斯格明子進(jìn)行操控.它通過調(diào)節(jié)外加電場(chǎng)的強(qiáng)度來改變局域的磁晶各向異性強(qiáng)度,在電流的協(xié)助下有效地控制斯格明子的運(yùn)動(dòng)方向.另外,對(duì)于斯格明子在賽道上的讀出,本文主要討論了利用拓?fù)浠魻栃?yīng)和非共線磁阻效應(yīng)兩種方案探測(cè)斯格明子.這兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)純電探測(cè)單個(gè)斯格明子,這也正是當(dāng)前大多數(shù)斯格明子自旋設(shè)備發(fā)展所需要的.

目前,關(guān)于斯格明子賽道存儲(chǔ)的研究還面臨一些挑戰(zhàn).首先,很多研究僅停留在理論階段,在實(shí)驗(yàn)上還面臨著一定的挑戰(zhàn).絕大多數(shù)的理論工作都采用了理想化模型,假設(shè)材料很均勻、純凈,而實(shí)際情況下,材料都含有一定量的雜質(zhì),這些無序結(jié)構(gòu)很可能會(huì)影響斯格明子的成核、運(yùn)動(dòng)、探測(cè)等操控,從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差.其次,大多數(shù)理論和實(shí)驗(yàn)中所研究的斯格明子的尺寸都在100 nm左右,要充分發(fā)揮斯格明子尺寸小、存儲(chǔ)密度高的優(yōu)點(diǎn),有必要將斯格明子的尺寸降低到10 nm左右.此外,為了使斯格明子達(dá)到100 m/s左右的穩(wěn)定速度,目前大多數(shù)賽道存儲(chǔ)的理論設(shè)計(jì)所采用的電流密度量級(jí)為1011A/m2.這一電流密度與疇壁的賽道存儲(chǔ)相比優(yōu)勢(shì)還不顯著,還沒有充分發(fā)揮斯格明子塞道存儲(chǔ)節(jié)能的優(yōu)勢(shì).電流密度過大還有一個(gè)很大的弊端,它會(huì)產(chǎn)生較大的焦耳熱從而燒壞器件,對(duì)實(shí)際應(yīng)用帶來一些限制.最后,如何便捷有效地抑制賽道存儲(chǔ)中的斯格明子霍爾效應(yīng),依然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn).