清華新聞網(wǎng)10月27日電 物理系江萬(wàn)軍課題組在拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的熱電操控和探測(cè)方面取得研究進(jìn)展。研究者發(fā)現(xiàn)，利用芯片原位加熱技術(shù)，可以在磁性器件中產(chǎn)生出納米尺度大小的斯格明子（skyrmion）；且斯格明子會(huì)沿?zé)崃鞣较驈母邷貐^(qū)域向低溫區(qū)域單向擴(kuò)散；同時(shí)可以通過(guò)熱電探測(cè)的方式原位檢測(cè)單個(gè)斯格明子。
磁性斯格明子是一種具有準(zhǔn)粒子特性的手性自旋結(jié)構(gòu)，圖一（A）為奈耳構(gòu)型斯格明子的自旋結(jié)構(gòu)示意圖。在磁性金屬薄膜中，電流或電流產(chǎn)生的自旋軌道轉(zhuǎn)矩可以用來(lái)產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)斯格明子。但利用熱效應(yīng)產(chǎn)生和驅(qū)動(dòng)斯格明子的研究工作尚未見(jiàn)報(bào)道。江萬(wàn)軍團(tuán)隊(duì)在早期研究中發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)熱漲落下斯格明子會(huì)發(fā)生與其拓?fù)鋽?shù)相關(guān)的旋性布朗運(yùn)動(dòng)，揭示了斯格明子拓?fù)湎嚓P(guān)的非平衡熱動(dòng)力學(xué)，為研究熱產(chǎn)生和熱操控斯格明子奠定了基礎(chǔ)。
圖一：(A)奈耳構(gòu)型磁性斯格明子的自旋結(jié)構(gòu)示意圖；(B)以清華大學(xué)二校門(mén)為原型的磁性納米結(jié)構(gòu)和原位加熱電阻絲組成的器件的掃描電子顯微鏡圖片；(C)在室溫、–20mT的面外磁場(chǎng)下，利用軟X射線(xiàn)全場(chǎng)透射式顯微鏡，在二校門(mén)構(gòu)型的磁納米結(jié)構(gòu)中觀(guān)察到條紋狀磁疇形態(tài)；(D)通過(guò)器件上的電阻絲原位加熱后，磁納米結(jié)構(gòu)內(nèi)呈現(xiàn)密堆積的斯格明子。
近日，利用美國(guó)勞倫茲-伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室同步輻射光源的軟X射線(xiàn)全場(chǎng)透射式顯微鏡，在磁性多層膜[Ta/CoFeB/MgO]15、[Pt/CoFeB/MgO/Ta]15和[Pt/Co/Ta]15中，江萬(wàn)軍團(tuán)隊(duì)通過(guò)芯片原位加熱技術(shù)成功觀(guān)測(cè)到了納米尺度斯格明子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)。圖一（B）所示為該類(lèi)器件的掃描電子顯微鏡照片，它由清華大學(xué)二校門(mén)為構(gòu)型的磁性多層膜納米結(jié)構(gòu)與原位加熱電阻絲組成。在?20mT垂直于器件平面的磁場(chǎng)下，多層膜磁納米結(jié)構(gòu)的磁疇形態(tài)為條紋狀（圖一C）。當(dāng)向電阻絲施加一個(gè)脈沖電流，即給多層膜納米結(jié)構(gòu)施加一個(gè)脈沖熱流后，條紋疇劇變成為密堆積的斯格明子（圖一D）。
圖二：（左上）實(shí)驗(yàn)器件照片及脈沖熱流施加方法的示意；（左下）利用軟X射線(xiàn)全場(chǎng)透射式顯微鏡對(duì)矩形磁納米結(jié)構(gòu)的成像結(jié)果。隨著電阻絲中脈沖電壓的增大，發(fā)熱溫度升高，更多的斯格明子可以通過(guò)從樣品熱端缺陷處和條紋疇的拓?fù)湫巫冎挟a(chǎn)生，并伴隨著向冷端單向擴(kuò)散。（右）為隨時(shí)間演化的反常能斯特測(cè)量結(jié)果，從中可以看到單個(gè)斯格明子的湮滅產(chǎn)生約90nV的反常能斯特電壓信號(hào)。
為了能更準(zhǔn)確地研究斯格明子的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)過(guò)程，該團(tuán)隊(duì)在矩形磁納米結(jié)構(gòu)中，通過(guò)增加電阻絲的發(fā)熱溫度，清晰地觀(guān)測(cè)到斯格明子從納米結(jié)構(gòu)熱端邊界處產(chǎn)生、條紋磁疇受熱后形變成為斯格明子、斯格明子從熱端向冷端做單一方向擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)這一過(guò)程（圖二左）。理論分析與數(shù)值模擬表明，原位加熱導(dǎo)致具有低能量勢(shì)壘的位置，如多層膜邊界、缺陷、或通過(guò)條紋疇的形變可以產(chǎn)生出斯格明子。斯格明子從高溫區(qū)向低溫區(qū)單向擴(kuò)散起源于斯格明子之間的排斥力、熱自旋軌道轉(zhuǎn)矩、磁振子自旋轉(zhuǎn)矩以及的熵梯度的等效作用力。在該集成器件中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用反常能斯特?zé)犭娞綔y(cè)技術(shù)原位檢測(cè)到了約為90nV單個(gè)斯格明子的熱電信號(hào)（圖二右）。這種熱產(chǎn)生、操控和熱電探測(cè)斯格明子的方法既可以與現(xiàn)有的電學(xué)操控方案集成，還可以用于到無(wú)法施加電流的絕緣斯格明子材料中。因此，這項(xiàng)研究不僅有助于斯格明子動(dòng)力學(xué)的研究，而且也為設(shè)計(jì)新型拓?fù)渥孕娮訉W(xué)器件提供了新的思路。
上述相關(guān)研究結(jié)果于10月26日以“磁性斯格明子的熱產(chǎn)生、熱操控及熱電探測(cè)（Thermal generation, manipulation and thermoelectric detection of skyrmions）”為題發(fā)表在《自然·電子學(xué)》（Nature Electronics）上。
清華大學(xué)物理系博士后王子?xùn)|、微電子所博士后郭明華、物理系博士后周恒安和2018級(jí)物理系博士生趙樂(lè)為文章共同第一作者，清華大學(xué)物理系江萬(wàn)軍副教授和美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室林士增研究員為共同通訊作者。論文合作者包括清華大學(xué)微電子所吳華強(qiáng)教授、材料學(xué)院宋成副教授、北京大學(xué)量子材料中心韓偉研究員、韓國(guó)蔚山科學(xué)技術(shù)院Ki-Suk Lee教授、意大利巴里理工大學(xué)Mario Carpentieri教授、意大利墨西拿大學(xué)Giovanni Finocchio教授和美國(guó)勞倫茲伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Mi-Young Im研究員。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃理科專(zhuān)項(xiàng)、北京市高精尖芯片中心（ICFC）等項(xiàng)目的支持。
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https://doi.org/10.1038/s41928-020-00489-2
供稿：物理系
編輯：李華山 李晨暉
審核：呂婷
