清華新聞網(wǎng)11月24日電 電荷、自旋以及準(zhǔn)粒子的非互易傳輸是構(gòu)建現(xiàn)代電子器件的基本要素。以環(huán)形器為例，它是一種典型的多端口非互易器件，能夠按照預(yù)定順序?qū)⑿畔妮斎攵丝趥魅胂噜彾丝?。在自旋電子器件的研究中，以斯格明子為代表的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)非互易傳輸也引起了關(guān)注。作為信息載體，斯格明子的拓?fù)浜瓦\(yùn)動(dòng)屬性賦予其獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，即斯格明子霍爾效應(yīng)。在驅(qū)動(dòng)力的作用下，斯格明子運(yùn)動(dòng)方向與驅(qū)動(dòng)力方向呈現(xiàn)一定的夾角，會(huì)導(dǎo)致斯格明子偏轉(zhuǎn)甚至湮滅，因此斯格明子霍爾效應(yīng)不利于開(kāi)發(fā)賽道存儲(chǔ)器件。通過(guò)設(shè)計(jì)、構(gòu)建特定器件結(jié)構(gòu)，斯格明子霍爾效應(yīng)可以使得斯格明子傳輸具有非互易性，可用于構(gòu)建非互易自旋電子器件。目前，這方面的研究主要集中在理論計(jì)算和模擬。在實(shí)驗(yàn)方面，實(shí)際材料體系中的釘扎效應(yīng)和不均勻性等因素會(huì)抑制斯格明子霍爾效應(yīng)，器件空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電流的非均勻性也會(huì)降低斯格明子的穩(wěn)定性。因此，如何利用斯格明子霍爾效應(yīng)，構(gòu)建斯格明子非互易器件是亟需解決的科學(xué)問(wèn)題。
斯格明子環(huán)形器的工作原理。（a）和（b）分別為拓?fù)浜蔀?em>Q=-1和Q=1的斯格明子環(huán)形器的器件符號(hào)；（c-e）和（f-h）分別為對(duì)應(yīng)斯格明子在不同端口之間傳輸?shù)拇殴鈹?shù)據(jù)
近日，清華大學(xué)物理系江萬(wàn)軍副教授課題組設(shè)計(jì)并制備出了斯格明子環(huán)形器。斯格明子環(huán)形器是一個(gè)三端器件，端口對(duì)應(yīng)支路之間的夾角為120°。類(lèi)似微波環(huán)形器，將其中一個(gè)端口作為輸入，其余兩個(gè)端口作為輸出。在輸入與輸出端之間施加電壓，利用自旋軌道力矩驅(qū)動(dòng)斯格明子在環(huán)形器中運(yùn)動(dòng)。通過(guò)采用低釘扎效應(yīng)的Ta/CoFeB/MgO/Ta多層膜，利用時(shí)間和空間分辨的磁光克爾效應(yīng)顯微鏡，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)斯格明子的旋轉(zhuǎn)方向依賴(lài)于拓?fù)浜傻姆?hào)。對(duì)于拓?fù)浜蔀?em>Q=±1的斯格明子，旋轉(zhuǎn)方向分別為逆時(shí)針和順時(shí)針。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，Q=+1的斯格明子從端口P1傳輸至端口P2，從端口P2傳輸至端口P3，從端口P3傳輸至端口P1；與之相反，Q=-1的斯格明子從端口P1傳輸至端口P3，從端口P3傳輸至端口P2，從端口P2傳輸至端口P1。結(jié)合微磁學(xué)模擬，該團(tuán)隊(duì)闡明了斯格明子霍爾效應(yīng)在構(gòu)建環(huán)形器中的重要作用。為了驗(yàn)證環(huán)形器的魯棒性，通過(guò)改變輸出支路的夾角，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)拓?fù)鋽?shù)為Q=±1的斯格明子仍然能夠沿著不同的分支運(yùn)動(dòng)。研究表明，斯格明子霍爾效應(yīng)可用于構(gòu)建具有新穎功能的器件，也為斯格明子拓?fù)潆娮悠骷芯刻峁┝诵滤悸贰?/p>
11月23日，相關(guān)研究結(jié)果以“實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)磁斯格明子環(huán)形器”（Experimental realization of a skyrmion circulator）為題發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。
清華大學(xué)物理系博士后宋承昆和2018級(jí)博士生趙樂(lè)、來(lái)自國(guó)防科技大學(xué)的訪(fǎng)問(wèn)博士生劉嘉豪為論文的共同第一作者，通訊作者為物理系江萬(wàn)軍副教授。該研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金、國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京自然科學(xué)基金、北京市高精尖芯片中心（ICFC）、協(xié)同創(chuàng)新中心等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03789
供稿：物理系
題圖設(shè)計(jì)：任左莉
編輯：李華山
審核：郭玲
