夏靜 韓宗益 宋怡凡 江文婧 林柳蓉 張溪超 劉小晰 周艷

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

2)(信州大學(xué)工學(xué)部電子信息系統(tǒng)工程系,日本 3808553)

磁斯格明子是一種具有準(zhǔn)粒子特性的拓?fù)浼{米磁疇壁結(jié)構(gòu).由于磁斯格明子具有較好的穩(wěn)定性和新奇的動(dòng)力學(xué)特性,并可被磁場(chǎng)、電場(chǎng)、電流等方式調(diào)控,有望成為高密度、低耗能、非易失性信息存儲(chǔ)及邏輯運(yùn)算的新興信息載體.自2009年磁斯格明子首次被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到至今,已有多種基于磁斯格明子的器件概念和原型器件被提出.本文對(duì)基于磁斯格明子應(yīng)用的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,對(duì)現(xiàn)階段幾種具有代表性的磁斯格明子器件應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹、分析和總結(jié),包括基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器件、邏輯計(jì)算器件、類晶體管功能器件和納米級(jí)微波振蕩器;同時(shí)闡述了幾種可能的通過(guò)磁斯格明子表達(dá)二進(jìn)制信息元的方法;并展望了磁斯格明子的其他潛在應(yīng)用以及未來(lái)基于磁斯格明子器件應(yīng)用的發(fā)展方向.

1 引 言

隨著大數(shù)據(jù)分析和人工智能等高新科技逐步進(jìn)入到人們的日常生活中,整個(gè)社會(huì)對(duì)信息存儲(chǔ)的需求也與日俱增,亟需密度更高、讀取速度更快的信息處理設(shè)備.由于磁斯格明子具有尺寸小、穩(wěn)定性高、功耗低等特點(diǎn),極有希望成為新一代信息元載體.

磁斯格明子可以穩(wěn)定地存在于各種不同種類的材料中,包括磁性材料[1?8]、亞鐵磁材料[9]、反鐵磁材料[10,11]、多鐵材料[12]、鐵電材料[13]等.此外,磁斯格明子的穩(wěn)定也存在幾種不同的機(jī)制,包括由重金屬與鐵磁材料耦合誘導(dǎo)產(chǎn)生的Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用[6,7,14,15]、阻挫交換作用[16?21]、以及納米圖案成型[22].不僅如此,磁斯格明子可采用多種方式進(jìn)行調(diào)控,如磁場(chǎng)[23,24]、自旋電流[7,8,25?28]、電場(chǎng)[29?32]、自旋波[33?35]、微波[36,37]、應(yīng)力[38?41]、激光[42,43]、溫度梯度[44]等.磁斯格明子的多樣性和靈活性表明它具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,尤其是在信息處理方面.

在信息處理過(guò)程中,通常可采用二進(jìn)制編碼.在基于磁斯格明子器件中,二進(jìn)制“0”和“1”存在多種可能的表達(dá)方式,如圖1所示.在圖1(a)中,用斯格明子和鐵磁態(tài)分別代表信息元“1”和“0”[26,45].也可以用中心磁矩朝上的斯格明子表示“0”,而中心磁矩朝下的斯格明子表示“1”,如圖1(b)所示.圖1(c)中的奈爾型和布洛赫型的磁斯格明子也可以表示“0”和“1”[19].在人工反鐵磁耦合結(jié)構(gòu)中,可以用兩對(duì)中心磁矩方向不同的反鐵磁耦合磁斯格明子分別表示“0”和“1”[46],如圖1(d)所示.在三維體材料中,可以用磁斯格明子管(skyrmion tube)和浮子(bobber)來(lái)分別表示“0”和“1”[47],如圖1(e)所示.

圖1 基于磁斯格明子的信息元“0”和“1”的不同表達(dá)Fig.1.Possib le methods of encoding binary bits “0” and “1” in magnetic skyrmion-based devices.

2 基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器

磁性存儲(chǔ)器作為主要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒介已經(jīng)有半個(gè)多世紀(jì)的歷史,它的發(fā)展使世界進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代.賽道存儲(chǔ)器(racetrack memory)[48]是一種正在開(kāi)發(fā)中的非易失性信息存儲(chǔ)器件,基于磁疇壁的賽道存儲(chǔ)器將磁疇作為磁存儲(chǔ)單元.與傳統(tǒng)的磁存儲(chǔ)器不同的是,在賽道存儲(chǔ)器中,存儲(chǔ)、寫(xiě)入和讀取信息的設(shè)備是固定的,通過(guò)自旋極化電流的短脈沖使信息元沿著納米導(dǎo)線移動(dòng),信息則由與賽道連接的讀取設(shè)備讀出.由于數(shù)據(jù)以磁疇的形式存儲(chǔ)在賽道中,可以通過(guò)電流控制磁疇的運(yùn)動(dòng),從而操縱賽道中存儲(chǔ)的信息.由于磁斯格明子具有尺寸小和穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì),基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器[25,45,49?53]應(yīng)運(yùn)而生.

在基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器中,二進(jìn)制基本信息元(0或1)可通過(guò)磁斯格明子來(lái)編譯.最簡(jiǎn)單的方法是由磁斯格明子的存在代表“1”,反之代表“0”.如圖2所示,基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器主要由四個(gè)部分組成,其中包括寫(xiě)入磁斯格明子的磁頭,傳輸磁斯格明子的納米賽道,讀取信息的磁頭和用來(lái)產(chǎn)生電流的CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)回路.通過(guò)從寫(xiě)入磁頭注射自旋極化電流產(chǎn)生磁斯格明子,再由驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)磁斯格明子沿著納米賽道移動(dòng).最終,由讀取磁頭檢測(cè)磁斯格明子.當(dāng)需要消除無(wú)用的信息時(shí),只需要注入驅(qū)動(dòng)電流將磁斯格明子推出納米賽道即可.

磁斯格明子在賽道存儲(chǔ)應(yīng)用方面有著顯著的優(yōu)勢(shì).首先,在功耗方面,基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器功耗更低.傳統(tǒng)磁疇壁的啟動(dòng)電流約為1—2.5×1011A/m2[54,55],磁斯格明子晶體的啟動(dòng)電流低至106A/m2[56,57]. 與磁疇相比,磁斯格明子的尺寸小,在幾納米到幾十納米之間[1?3,5,9,58,59].另外,由于與邊界的排斥作用[45,53],斯格明子的運(yùn)動(dòng)不受軌道形狀的影響,可以在彎曲或者有缺陷的軌道中運(yùn)動(dòng).除此之外,斯格明子的拓?fù)浞€(wěn)定性減少了在一些不良條件下的信息的損耗和波動(dòng),這讓基于斯格明子的賽道存儲(chǔ)器的信息保存的魯棒性更高.這一系列的優(yōu)勢(shì)讓斯格明子在賽道存儲(chǔ)方面的應(yīng)用具有極大的潛力.

圖2 基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器示意圖[53]Fig.2.Illustration of skyrmion-based racetrack memory[53].

在基于斯格明子的賽道存儲(chǔ)器實(shí)際應(yīng)用之前,還需要解決一些問(wèn)題.在高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的前提下,斯格明子之間的距離要求盡量小.在運(yùn)輸一段較長(zhǎng)的信息時(shí),由于斯格明子之前存在相互排斥的作用力[45,53],斯格明子會(huì)重新均勻分布,最終導(dǎo)致錯(cuò)誤的信息輸出.因此,斯格明子之間的距離要大于一定值才能保證信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性[53],但是這就大大降低了信息存儲(chǔ)的密度.為了解決這個(gè)問(wèn)題,一種由電場(chǎng)控制的Y型軌道被提出[60].在該模型中,比特值(0或1)不再只由一條賽道中是否存在磁斯格明子決定,而是分別由兩條賽道中存在的斯格明子來(lái)決定.雖然這個(gè)模型提高了信息的準(zhǔn)確度,但是賽道數(shù)量的增加也降低了信息的存儲(chǔ)密度.值得一提的是,也可使用已在基于疇壁的賽道存儲(chǔ)相關(guān)研究中提出的方法,即通過(guò)在軌道上刻出均勻分布的凹槽來(lái)穩(wěn)定斯格明子之間的距離[48].這個(gè)方案可以在不改變軌道數(shù)量的前提下有效地改善信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確度,但是軌道上的凹槽可能在一定程度上降低了斯格明子的移動(dòng)速度.

另外,磁斯格明子在被自旋極化電流驅(qū)動(dòng)時(shí),由于馬格努斯力(Magnus force)的作用,斯格明子會(huì)在橫向方向發(fā)生位移,無(wú)法沿驅(qū)動(dòng)電流的方向做直線運(yùn)動(dòng),這個(gè)現(xiàn)象被稱作磁斯格明子霍爾效應(yīng)(SkHE)[8,9,46].為了消除斯格明子霍爾效應(yīng),人工合成反鐵磁耦合的雙層納米軌道被提出[46].兩個(gè)垂直磁化的鐵磁層之前存在反鐵磁耦合(AFM),當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流從底部的鐵磁體層注入時(shí),鐵磁層之間的強(qiáng)耦合作用使頂部和底部鐵磁體層的斯格明子保持同步運(yùn)動(dòng).與此同時(shí),由于作用在頂層和底層斯格明子的馬格努斯力的相互抵消,反鐵磁耦合的兩個(gè)斯格明子可以在軌道中間保持直線運(yùn)動(dòng)而不受馬格努斯力的影響.這為基于斯格明子的存儲(chǔ)器件和邏輯計(jì)算設(shè)備的實(shí)現(xiàn)鋪下了堅(jiān)實(shí)的基石.另一種解決方案就是單相反鐵磁材料中的斯格明子[10,11].在單相反鐵磁材料中,相鄰的磁矩具有方向相反、大小相同的特性,因此,反鐵磁材料中的斯格明子可以看成是兩個(gè)方向相反的斯格明子套構(gòu)在一起.當(dāng)注入電流時(shí),兩個(gè)斯格明子受到的馬格努斯力大小相同方向相反,相互抵消,因此,反鐵磁斯格明子可以不受馬格努斯力的影響而在軌道中間保持直線運(yùn)動(dòng).

3 基于斯格明子的邏輯門(mén)

斯格明子不僅可以用于構(gòu)建賽道存儲(chǔ)器件,還可以用來(lái)做邏輯計(jì)算[61,62].研究表明,磁疇壁和斯格明子之間轉(zhuǎn)換是可逆的[63],如圖3所示.一系列的磁疇壁在較窄的納米軌道上傳輸,隨后在較寬的納米軌道中成對(duì)的磁疇壁被轉(zhuǎn)化為一連串的斯格明子,這些斯格明子最終再次被轉(zhuǎn)化為磁疇壁.

圖3 磁疇壁與斯格明子可逆的相互轉(zhuǎn)換[63]Fig.3.The reversal conversion between magnetic domain walls and magnetic skyrmions[63].

基于磁疇壁和斯格明子的可逆轉(zhuǎn)換,Zhang等[62]提出可以通過(guò)Y型軌道實(shí)現(xiàn)斯格明子復(fù)制和融合.圖4(a)和圖4(b)分別展示了斯格明子的復(fù)制和融合過(guò)程.在圖4(a)中,在輸入端中輸入一個(gè)斯格明子,隨著驅(qū)動(dòng)電流的注入,斯格明子在較窄的軌道中轉(zhuǎn)換為一對(duì)磁疇壁.通過(guò)Y型交叉點(diǎn)之后,一對(duì)磁疇壁分化為兩對(duì)磁疇壁,進(jìn)而在輸出端輸出兩個(gè)斯格明子,實(shí)現(xiàn)了斯格明子的復(fù)制.從圖中也可看出,斯格明子數(shù)Q從1變到2.在圖4(b)中,在輸入端輸入兩個(gè)斯格明子,受電流的驅(qū)動(dòng),兩個(gè)斯格明子分別進(jìn)入較窄的納米軌道并轉(zhuǎn)換成兩對(duì)磁疇壁.在Y型交叉點(diǎn)處,兩對(duì)磁疇壁融合為一對(duì)磁疇壁,最后在輸出端輸出一個(gè)斯格明子,實(shí)現(xiàn)了斯格明子的融合.斯格明子數(shù)Q也從2變到1.

基于磁斯格明子的復(fù)制和融合,邏輯或門(mén)和邏輯與門(mén)就可以實(shí)現(xiàn).圖5為基于斯格明子的邏輯或門(mén)運(yùn)算示意圖.或門(mén)的操作包括:0或0=0,1或0=1,0或1=1,1或1=1.在基于斯格明子邏輯門(mén)的計(jì)算中,0代表不存在斯格明子,1代表存在一個(gè)斯格明子.0或0=0既沒(méi)有輸入,也沒(méi)有輸出.在圖5左欄中,輸入端A輸入為1,輸入端B輸入為0,此時(shí)僅考慮從A端輸入一個(gè)斯格明子.當(dāng)A端輸入的斯格明子從寬的納米軌道進(jìn)入窄的納米軌道時(shí),它被轉(zhuǎn)化為磁疇壁在窄的納米軌道中傳輸,最終再次在寬納米軌道的輸出端被轉(zhuǎn)化成一個(gè)斯格明子,實(shí)現(xiàn)了1或0=1的運(yùn)算.同理,如圖5中間一欄所示,當(dāng)A端輸入為0,B端輸入為1時(shí),輸出端為1,即輸出一個(gè)斯格明子,完成0或1=1的運(yùn)算.1或1=1的實(shí)現(xiàn)基于圖4(b),即兩個(gè)斯格明子融合為一個(gè)的過(guò)程.如圖5右欄所示,當(dāng)A,B兩端均輸入1時(shí),由于兩對(duì)磁疇壁在Y型結(jié)點(diǎn)處融合為一對(duì)磁疇壁,最終輸出端只輸出一個(gè)斯格明子,即輸出1,實(shí)現(xiàn)了1或1=1的邏輯運(yùn)算.

與門(mén)的操作也可以通過(guò)類似于或門(mén)的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn).與門(mén)的邏輯操作包括:0與0=0,1與0=0,0與1=0,1與1=1.與門(mén)的0與0=0和1與1=1操作和或門(mén)的相同,不同的是1與0=0和0與1=0操作.圖6顯示了基于斯格明子的邏輯與門(mén)操作.當(dāng)A端輸入為1,B端輸入為0時(shí),在A端輸入的斯格明子從寬的納米軌道進(jìn)入窄的納米軌道時(shí),它被轉(zhuǎn)化為一對(duì)磁疇壁.這對(duì)磁疇壁隨后在中間較寬的納米軌道處被轉(zhuǎn)化為一個(gè)麥紉[64].麥紉是一類附著于納米軌道邊緣的拓?fù)浔Ｗo(hù)態(tài),它的斯格明子數(shù)為0.5.最終這個(gè)麥紉在中間較寬的納米軌道的右上角湮滅.這樣就實(shí)現(xiàn)了邏輯與門(mén)1與0=0的操作.同理,0與1=0的邏輯操作實(shí)現(xiàn)于圖6中間一欄.圖6右欄展示的是邏輯與門(mén)1與1=1的操作,它的原理和邏輯或門(mén)的相同.因此,利用上述兩種設(shè)計(jì),就可以實(shí)現(xiàn)基于斯格明子的邏輯或門(mén)和與門(mén).

圖4 斯格明子的復(fù)制和融合[62] (a)斯格明子的復(fù)制;(b)斯格明子的融合Fig.4.Duplication and merging of skyrmions[62]:(a)The duplication of a skyrmion;(b)the merging of skyrmions.

圖5 斯格明子邏輯或門(mén)操作示意圖[62]Fig.5.Illustration of skyrmions logical OR operation[62].

圖6 斯格明子邏輯與門(mén)操作示意圖[62]Fig.6.Illustration of skyrmions logical AND operation[62].

4 基于斯格明子的類晶體管器件

磁斯格明子還可以用于構(gòu)建類晶體管器件[65],如圖7所示,磁斯格明子最先由位于納米軌道左側(cè)的磁性隧道結(jié)(MTJ)寫(xiě)入,隨后在自旋極化電流的驅(qū)動(dòng)下向右側(cè)移動(dòng),最后右端可利用隧穿磁電阻效應(yīng)(TMR)探測(cè)斯格明子.其中,納米軌道中部(200 nm

圖7 基于斯格明子的類晶體管示意圖[65]Fig.7.Design of the skyrmion transistor[65].

磁斯格明子類晶體管器件有兩個(gè)工作狀態(tài),關(guān)閉和開(kāi)啟.在關(guān)閉狀態(tài)中,電場(chǎng)和自旋極化電流同時(shí)開(kāi)啟,電場(chǎng)改變了電壓門(mén)區(qū)域的PMA,在納米軌道中形成能量勢(shì)壘,致使斯格明子無(wú)法通過(guò).在開(kāi)啟狀態(tài)中,當(dāng)自旋電流是開(kāi)啟狀態(tài)而電場(chǎng)是關(guān)閉狀態(tài)時(shí)Kuv=Ku,斯格明子可以在自旋電流的驅(qū)動(dòng)下通過(guò)壓控門(mén),從納米軌道的左端到達(dá)右端.

在不同的自旋電流與受電場(chǎng)控制的Kuv下,斯格明子在納米軌道上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也有差異,如圖8所示.圖8(a)顯示的是驅(qū)動(dòng)電流j=5 MA/cm2時(shí),門(mén)電路施加不同電壓值的器件的狀態(tài).當(dāng)門(mén)電路處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),Kuv=Ku.此時(shí),由于納米軌道上無(wú)勢(shì)壘,斯格明子在電流的驅(qū)動(dòng)下可以順利地從通過(guò)壓控門(mén)到達(dá)軌道右端.當(dāng)門(mén)電路開(kāi)啟時(shí),Kuv=1.10Ku.因?yàn)閴嚎貐^(qū)域PMA值的改變,在軌道中造成一個(gè)勢(shì)壘,導(dǎo)致斯格明子停在壓控區(qū)域的左側(cè)邊界處.當(dāng)壓控區(qū)域PMA值為Kuv=0.9Ku時(shí),在壓控區(qū)域形成勢(shì)阱,斯格明子可以通過(guò)左邊界,但無(wú)法通過(guò)右邊界.可以看出,當(dāng)門(mén)電路處于關(guān)閉時(shí),類晶體管處于開(kāi)啟的狀態(tài),斯格明子可以自由地通過(guò)壓控區(qū)域.當(dāng)電路開(kāi)啟時(shí),由于軌道PMA值的改變形成勢(shì)壘或勢(shì)阱,斯格明子無(wú)法通過(guò)壓控區(qū)域,此時(shí)類晶體管處于關(guān)閉狀態(tài).當(dāng)門(mén)電路開(kāi)啟時(shí),Kuv=Ku,此時(shí)也可以通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)自旋電流密度的大小去調(diào)節(jié)類晶體管的工作狀態(tài).在圖8(b)中,門(mén)電路開(kāi)啟,Kuv=1.05Ku,自旋電流密度提高到j(luò)=6 MA/cm2,此時(shí)斯格明子在較強(qiáng)的自旋電流驅(qū)動(dòng)下,可以通過(guò)壓控區(qū)域.同理,當(dāng)Kuv=0.9Ku時(shí),將自旋電流密度增至j=10 MA/cm2,斯格明子則可通過(guò)壓控區(qū)域,如圖8(c)所示.除此之外,還可以通過(guò)改變材料的其他磁性參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)類晶體管的工作狀態(tài),例如DM相互作用系數(shù).基于斯格明子的類晶體管在工作狀態(tài)對(duì)尺寸依賴性比較小,類晶體管的尺寸從600 nm×100 nm×1 nm縮小到150 nm×50 nm×1 nm時(shí),工作狀態(tài)都不會(huì)受到影響,由此說(shuō)明類晶體管具有良好的可微縮性.

圖8 不同驅(qū)動(dòng)自旋電流密度j和K u v時(shí),類晶體管的俯視圖[65] (a)j=5 MA/cm 2,K u v=1.1K u,1.0K u,0.9K u;(b)j=6 MA/cm 2,K u v=1.05K u;(c)j=10 MA/cm 2,K u v=0.9K u;顏色表示磁矩的面外分量的大小,黑色陰影區(qū)域表示壓控區(qū)域Fig.8.The top-view of the nanotracks under different j and K u v in the voltage-gated region:[65](a)j=5 MA/cm2,K u v=1.1K u,1.0K u,0.9K u;(b)j=6 MA/cm 2,K uv=1.05K u;(c)j=10 MA/cm 2,K uv=0.9K u.The colour scale denotes the out-of-plane component of the magnetization.The black-line shadows rep resent the voltage-controlled PMA region.

5 基于斯格明子的納米振蕩器

與磁渦旋類似,磁斯格明子在自旋轉(zhuǎn)矩或外場(chǎng)的激發(fā)下呈現(xiàn)呼吸模式或轉(zhuǎn)動(dòng)模式,可用于產(chǎn)生頻率在1—100 GHz范圍內(nèi)[69?72]的信號(hào).基于磁斯格明子的納米振蕩器具有可調(diào)性強(qiáng)的特點(diǎn).磁斯格明子振蕩的頻率可通過(guò)電流密度、外場(chǎng)強(qiáng)度、樣品尺寸等多個(gè)維度進(jìn)行調(diào)控,因此,非常適合構(gòu)建納米級(jí)微波振蕩器[73?75].

通過(guò)微磁模擬和解析分析發(fā)現(xiàn),在DM相互作用下,注入垂直電流時(shí)磁斯格明子呈現(xiàn)出很強(qiáng)的呼吸模式,磁斯格明子的半徑隨時(shí)間呈周期性變化(見(jiàn)圖9(d))[71].當(dāng)偶極相互作用和DM相互作用消失時(shí),斯格明子在布洛赫型(圖9(b))和奈爾型(圖9(c))之間周期變換,但尺寸不隨時(shí)間變化,如圖9(e)所示.圖10顯示了動(dòng)態(tài)斯格明子的形成過(guò)程.首先,磁孤子在樣品中成核,隨著電流的持續(xù)注入,動(dòng)態(tài)斯格明子形成,并呈現(xiàn)出穩(wěn)定的呼吸模式,如圖10所示.當(dāng)外場(chǎng)消失或者出現(xiàn)時(shí),呼吸模式也隨之消失或者出現(xiàn).當(dāng)同時(shí)關(guān)閉外場(chǎng)和電流時(shí),靜態(tài)的斯格明子穩(wěn)定存在于樣品中.磁斯格明子的呼吸模式具有可調(diào)范圍廣和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)(見(jiàn)圖11).圖11(a)顯示在施加不同外場(chǎng)和電流密度時(shí),樣品中最終可能出現(xiàn)的五種狀態(tài),包括磁矩朝上或朝下的鐵磁態(tài)、磁孤子、動(dòng)態(tài)斯格明子和靜態(tài)斯格明子.從圖中可以看出,在很大范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)斯格明子都可形成.圖11(b)顯示了動(dòng)態(tài)斯格明子的穩(wěn)定性.圖11(b)中的態(tài)是以動(dòng)態(tài)斯格明子為初始狀態(tài),施加不同的外場(chǎng)和電流密度,最終在樣品中穩(wěn)定存在的態(tài).從圖11可以看出,磁斯格明子不僅可以在大范圍參數(shù)內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定的振蕩,并且在外部條件發(fā)生變化時(shí)還可以保持穩(wěn)定的振蕩.研究表明,斯格明子不僅具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性,而且在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下,動(dòng)態(tài)頻率可以達(dá)到更高[76],這也使得動(dòng)態(tài)斯格明子在寬頻帶微波應(yīng)用中更具有吸引力.相比于基于渦旋結(jié)構(gòu)的自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器,基于斯格明子的自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器的優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)外部擾動(dòng)不敏感,能產(chǎn)生更加穩(wěn)定可靠的信號(hào).

圖9 不同機(jī)制下的磁斯格明子[71](a)磁斯格明子泡(skyrmion bubble),由偶極矩相互作用導(dǎo)致,尺寸遠(yuǎn)大于由DM相互作用穩(wěn)定的磁斯格明子;(b),(c)由DM相互作用穩(wěn)定的磁斯格明子;(b)布洛赫型,(c)奈爾型;(d)動(dòng)態(tài)斯格明子,在偶極矩相互作用與DM相互作用下,斯格明子的直徑周期性變化,呈現(xiàn)呼吸模式;(e)無(wú)偶極相互作用、DM相互作用與奧斯特場(chǎng)下,斯格明子均勻進(jìn)動(dòng),呼吸模式消失Fig.9.Different skyrmion stabilization mechanism s[71]:(a)Askyrmion bubble stabilized by dipolar interactions;its size typically exceeds that of skyrmions stabilized by DM interactions;(b),(c)DM interactions stabilized skyrmions:(b)B loch type and(c)Neel type;(d)dynamically stabilized magnetic skyrmion(DS),in the presence of dipolar interactions and DM interactions,the skyrmion diameter varies periodically in time(breathing);(e)for vanishing dipolar interactions and DM interaction,the skyrmion precesses uniformly and breathing disappears.

圖10 動(dòng)態(tài)斯格明子的成核[71] (a)不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的磁矩結(jié)構(gòu);(b)不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的拓?fù)涿芏确植?(c)樣品磁矩垂直分量的平均值m z和斯格明子數(shù)隨時(shí)間的變化Fig.10.Nucleation and field toggling of a DS[71]:(a)The top view of the spin structure at selected simulation times;(b)the topological density at the same times;(c)the time trace of the out-of-plane magnetization component m z averaged over the simulation area and time trace of the skyrmion number(green).

此外,斯格明子轉(zhuǎn)動(dòng)模式也可以用來(lái)構(gòu)建納米振蕩器[77,78].在這類振蕩器中,通過(guò)注入自旋極化電流,利用斯格明子周期性的位置變化來(lái)產(chǎn)生信號(hào).振蕩的頻率可以通過(guò)改變電流密度以及磁性納米盤(pán)的半徑進(jìn)行調(diào)控,也可以通過(guò)利用多個(gè)斯格明子同時(shí)工作來(lái)提高振蕩頻率.

圖11 動(dòng)態(tài)斯格明子的穩(wěn)定性[71] (a)施加不同外場(chǎng)和電流密度時(shí)的成核結(jié)果;(b)動(dòng)態(tài)斯格明子在不同電流和場(chǎng)強(qiáng)下的穩(wěn)定性;(c)不同狀態(tài)的示意圖,空心圓圈代表磁孤子,彩色實(shí)心圓圈代表動(dòng)態(tài)斯格明子,綠色實(shí)心圓圈代表靜態(tài)斯格明子,紅色和藍(lán)色方框分別代表磁矩朝上和朝下的鐵磁態(tài)Fig.11.Stability of DS[71]:(a)Nucleation results at different fields and currents;(b)sustainability of the DS over a very wide range of current and field;(c)the schematic representation of different states.A drop let is rep resented by hollow circle;a DS is rep resented by filled rainbow circle;a static skyrmion is rep resented by green filled circle.The red and blue squares represent the upward and downward orientations of all the spins,respectively.

6 總結(jié)與展望

本文主要介紹了近年來(lái)基于磁斯格明子的器件和相關(guān)應(yīng)用的研究成果和進(jìn)展.首先簡(jiǎn)要說(shuō)明了如何運(yùn)用不同狀態(tài)的斯格明子對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)元進(jìn)行表達(dá),包括分別利用斯格明子的面外和面內(nèi)磁矩分布結(jié)構(gòu).攜帶信息的斯格明子可直接用于存儲(chǔ)和計(jì)算,具體應(yīng)用可體現(xiàn)在基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器和邏輯計(jì)算器件.通過(guò)結(jié)合賽道存儲(chǔ)器與邏輯計(jì)算器,人們可繼而設(shè)計(jì)出同時(shí)具備存儲(chǔ)和計(jì)算功能的磁性器件.同時(shí),利用磁性材料各向異性可被電壓控制的特性,磁斯格明子可應(yīng)用于設(shè)計(jì)類晶體管功能器件.另一方面,磁斯格明子也可應(yīng)用于微波器件,如基于動(dòng)態(tài)磁斯格明子的納米微波振蕩器.以上這些基于磁斯格明子的器件只是大量基于磁斯格明子應(yīng)用中的具有代表性的例子.最近兩年來(lái),已有相關(guān)理論研究指出磁斯格明子還可用于更多新穎的應(yīng)用,如基于磁斯格明子的仿神經(jīng)元計(jì)算器件[79,80]和量子計(jì)算器件等.相信在不久的將來(lái),我們將會(huì)看到多數(shù)斯格明子的相關(guān)研究隊(duì)伍的研究焦點(diǎn)從基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用研究,也會(huì)因此看到更多基于磁斯格明子應(yīng)用的提出和制備.磁斯格明子是否能最終商業(yè)化,將取決于未來(lái)幾年內(nèi)基于磁斯格明子應(yīng)用研究的成果和水平.