反铁磁体，Science！

纳米人

2024-05-06

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨彤心未泯（米测 技术中心）

编辑丨风云

磁斯格明子是拓扑磁性纹理，作为存储器和逻辑器件中的纳米级信息位具有广阔的前景。尽管室温铁磁斯格明子及其电流感应操纵已被证明，但它们的速度仅限于每秒100米左右。此外，它们的动力学受到斯格明子霍尔效应的干扰，斯格明子霍尔效应是由斯格明子拓扑电荷引起的横向于电流方向的运动。

基于此，阿尔卑斯大学Olivier Boulle等人证明了补偿合成反铁磁体中的斯格明子可以通过电流沿电流方向以高达每秒900米的速度移动。这可以通过净拓扑电荷的抵消导致斯格明子霍尔效应消失来解释。该结果为实现基于轨道中斯格明子的快速操纵的逻辑和存储设备开辟了一条重要途径。

室温下SAF中的AF斯格明子

SAF叠层由Pt (3)/Co (1.58)/Ru (0.85)/Pt (0.5)/Co (1.58)/Ru (0.85) 多层，作者仔细优化了其成分，以稳定斯格明子并通过电流有效地移动它们。使用扫描氮空位中心磁力测定法对SAF斯格明子杂散场进行定量测量，证实SAF得到了完全补偿，并且两层中的斯格明子磁化强度是AF对齐的，这与微磁模拟一致。X射线磁圆二色性光发射电子显微镜实验和微磁模拟证实了Pt/Co界面处DMI预期的斯格明子的左手手性。

图1 补偿斯格明子霍尔效应并增强SAF斯格明子的速度

图2 补偿SAF中的斯格明子

SAF斯格明子的快速电流感应动力学

为了研究SAF斯格明子的电流感应动力学，使用标准纳米制造工艺将堆栈图案化为3毫米宽的轨道，与金属电极接触以注入电流。结果表明斯格明子还可以通过具有相反极性的连续电流脉冲沿电流方向来回移动。实验揭示了消失的斯格明子霍尔效应：平均q_SkHE为6.4±16.4°，并且没有显示出对v_Sk的任何依赖性。实验表明，在SAF堆栈中观察到的斯格明子霍尔效应的速度增强和消除与SAF磁补偿有关。

图3 MFM观察到的SAF斯格明子的电流感应运动

图4 具有消失斯格明子霍尔效应的SAF斯格明子的快速电流诱导动力学

微磁模拟和分析建模

作者使用实验获得的磁和输运参数（包括磁阻尼、SOT和DMI）进行了分析建模和微磁模拟。结果表明，SAF斯格明子沿电流方向移动，没有斯格明子霍尔效应，与实验观察结果一致。作者绘制了模型预测的速度对电流密度的依赖性，观察到该模型正确地再现了大电流密度下的大速度。模拟还表明，SAF斯格明子具有内在的惯性动力学特征。斯格明子响应方波电流脉冲需要大约100 ps才能达到速度平台。

图5 电流引起的斯格明子变形和惯性动力学的模拟

参考文献：

VAN TUONG PHAM, et al. Fast current-induced skyrmion motion in synthetic antiferromagnets. Science, 2024,384(6693):307-312.

DOI: 10.1126/science.add5751

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add5751