磁斯格明子是一种非共线的自旋结构，蕴含着丰富的拓扑物理与应用潜能。斯格明子的高效电学探测，不仅是自旋电子学的研究热点，也是发展高性能自旋器件和芯片的必经之路。物理系江万军课题组长期关注斯格明子材料、物理与器件的基础研究【Nature Physics 13,162(2017)；Nature Electronics 3,672 (2020)；Phys.Rev.Letts.125,027206(2020)；Nano Lett.22,9836(2022); Nano Lett.23,4931(2023)等】。近期，课题组通过将斯格明子材料与磁性隧道结相结合，在纳米级器件中，实现了斯格明子的高效隧穿磁电阻探测。相关研究成果有助于开发拓扑自旋存储器件和芯片，并于近日发表于《npj 量子材料》（npj quantum materials）。

       斯格明子尺寸小、结构稳定、可以被电流驱动，从而用于构建自旋器件和芯片。作为信息单元，斯格明子的确定性产生、操控、和电学探测是器件应用的前提条件。尽管斯格明子的产生和操控已经被广泛研究，但如何开发出与磁存储技术兼容的探测手段，完成对斯格明子的高效电学探测，依然是当下斯格明子应用的主要瓶颈之一。在由磁性金属/薄绝缘层/磁性金属组成的磁性隧道结中，可以观察到自旋依赖的量子隧穿磁电阻效应。它可以将不同磁性金属层中相对变化的磁化状态，转化为千欧量级以上的电阻变化。磁性隧道结能与半导体工艺兼容，能推动磁存储、存算一体化技术的发展。

       早在2015年，利用隧穿磁电阻效应探测微纳米斯格明子，并进一步构建原理型赛道器件的理论设想就被提出。但如何实现磁性隧道结与斯格明子材料的集成，完成纳米级赛道器件的流程化制备，并同时实现隧穿磁电阻效应高效探测斯格明子，是一直限制领域发展的技术难题。在斯格明子材料与磁性隧道结的集成方面，不同课题组分别开展了大量尝试。然而这些报道结果中斯格明子尺寸大，隧道磁电阻效应小，抑或不能实现运动斯格明子的原位高效探测。因此不益于开发诸如斯格明子存储器件、逻辑器件、存算一体化器件等等。

图1.（a）斯格明子赛道存储器件示意图。（b）赛道器件实物图。

       研究团队通过膜堆设计和优化，首先成功生长出了包含斯格明子薄膜与垂直磁隧道结CoFeB/MgO/CoFeB的膜堆结构。通过开发纳米器件加工工艺，完成了纳米级隧道结器件的制备，并获得了室温下超过100%的隧穿磁电阻变化率。不同于传统垂直磁隧道结仅有高、低两种电阻状态，斯格明子隧道结的隧穿磁电阻曲线显示出若干中间电阻态。对这些隧穿磁电阻台阶分析，便可以得到斯格明子产生、运动信息。结合电流脉冲激发和探测技术，在三端纳米赛道器件中，研究团队进一步演示了对运动斯格明子的隧穿磁电阻实时探测。这项研究解决了斯格明子高效探测方面的瓶颈问题，将推动斯格明子器件的快速研发。

图2.(a)利用隧穿磁电阻效应探测斯格明子的电路图。(b)隧穿磁电阻曲线显示出不同的电阻台阶，对应斯格明子产生和运动的电阻信号。(c)利用电流脉冲激发和原位隧道磁电阻探测技术，实现了运动斯格明子的高效探测。

       清华大学物理系博士生赵孟琦，阿卜杜拉国王科技大学博士后陈爱天、博士生刘陈，南京大学博士生黄培源和北京师范大学博士生沈来川为该工作的共同第一作者，通讯作者为清华大学物理系江万军副教授、阿卜杜拉国王科技大学的张西翔教授、南京大学王永磊教授以及国防科技大学的刘嘉豪助理教授。杭州驰托科技股份有限公司王莎莎博士、刘恩龙博士、何世坤博士，在器件研发过程中做出了重要贡献。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、科技部重点研发计划等项目的经费支持。