江万军研究组在拓扑磁结构的非互易传输方面取得进展
Nov 24 2022
近期，物理系江万军课题组在拓扑磁结构的非互易传输方面取得进展，相关研究结果于2022年11月23日以“实验实现磁斯格明子环形器（Experimental realization of a skyrmion circulator）”为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。
电荷、自旋以及准粒子的非互易传输是构建现代电子器件的基本要素。以环形器为例，它是一种典型的多端口非互易器件，能够按照预定顺序将信息从输入端口传入相邻端口。在自旋电子器件的研究中，以斯格明子为代表的拓扑磁结构非互易传输也引起了关注。作为信息载体，斯格明子的拓扑和运动属性赋予其独特的动力学现象，即斯格明子霍尔效应。在驱动力的作用下，斯格明子运动方向与驱动力方向呈现一定的夹角，会导致斯格明子偏转甚至湮灭，因此斯格明子霍尔效应不利于开发赛道存储器件。通过设计、构建特定器件结构，斯格明子霍尔效应可以使得斯格明子传输具有非互易性，可用于构建非互易自旋电子器件。目前，这方面的研究主要集中在理论计算和模拟。在实验方面，实际材料体系中的钉扎效应和不均匀性等因素会抑制斯格明子霍尔效应，器件空间结构导致电流的非均匀性也会降低斯格明子的稳定性。因此，如何利用斯格明子霍尔效应，构建斯格明子非互易器件是亟需解决的科学问题。
斯格明子环形器的工作原理。(a)和(b)分别为拓扑荷为Q=-1和Q=1的斯格明子环形器的器件符号；(c-e)和(f-h)分别为对应斯格明子在不同端口之间传输的磁光数据。
近日，清华大学物理系江万军课题组设计并制备出了斯格明子环形器。斯格明子环形器是一个三端器件，端口对应支路之间的夹角为120°。类似微波环形器，将其中一个端口作为输入，其余两个端口作为输出。在输入与输出端之间施加电压，利用自旋轨道力矩驱动斯格明子在环形器中运动。通过采用低钉扎效应的Ta/CoFeB/MgO/Ta多层膜，利用时间和空间分辨的磁光克尔效应显微镜，该团队发现斯格明子的旋转方向依赖于拓扑荷的符号。对于拓扑荷为Q=±1的斯格明子，旋转方向分别为逆时针和顺时针。并在实验中发现，Q=+1的斯格明子从端口P1传输至端口P2，从端口P2传输至端口P3，从端口P3传输至端口P1；与之相反，Q=-1的斯格明子从端口P1传输至端口P3，从端口P3传输至端口P2，从端口P2传输至端口P1。结合微磁学模拟，该研究团队阐明了斯格明子霍尔效应在构建环形器中的重要作用。为了验证环形器的鲁棒性，通过改变输出支路的夹角，团队发现拓扑数为Q=±1的斯格明子仍然能够沿着不同的分支运动。该项研究表明，斯格明子霍尔效应可用于构建具有新颖功能的器件，也为斯格明子拓扑电子器件研究提供了新思路。
清华大学物理系博士后宋承昆和2018级博士生赵乐、来自国防科技大学的访问博士生刘嘉豪为该工作的共同第一作者，通讯作者为物理系江万军副教授。该工作受到国家自然科学基金杰出青年基金、国家自然科学基金基础科学中心项目、国家自然科学基金、北京自然科学基金、北京市高精尖芯片中心 (ICFC)、协同创新中心等项目的支持。