安徽大學(xué)成功制備最小尺寸斯格明子賽道器件單元

安徽大學(xué)網(wǎng)站7月16日消息，近期，安徽大學(xué)新型拓樸磁性材料與內(nèi)存件杜海峰團(tuán)隊，利用聚焦離子束微奈器件制備技術(shù)，制備出了世界上最小尺寸的斯格明子賽道器件單元（賽道寬度：100 nm），結(jié)合高時空分辨原位洛蘭茲電鏡技術(shù)，實現(xiàn)了奈秒電脈沖驅(qū)動下，100 nm寬度賽道中80 nm磁斯格明子一維、穩(wěn)定、高效的運動，為構(gòu)筑高密度、高速度、可靠的新型拓樸磁電子學(xué)器件提供了重要支撐。相關(guān)研究成果以、〈80 nm 斯格明子在100 nm賽道中的穩(wěn)定運動〉為題發(fā)表在《自然-通訊》上（Doi：10.1038／s41467-024-49976-6）。

安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院教授宋東升為論文第一作者，雙聘教授杜海峰為通訊作者，強(qiáng)磁場科學(xué)中心博士張水森和研究員劉藝舟，華南理工大學(xué)教授鄭風(fēng)珊，德國于利希研究中心教授Rafal E. Dunin-Borkowski，美國新罕不什爾大學(xué)臧家棟，安徽大學(xué)物科院教授王偉偉和物理與光電工程學(xué)院教授田明亮為論文重要合作者。

2009年，德國科學(xué)家在一類手性金屬磁性材料中，發(fā)現(xiàn)一種具有非平庸拓樸特性的磁結(jié)構(gòu)，稱之為磁斯格明子。其具有尺寸小、穩(wěn)定性高、電流易操控等優(yōu)點，有望作為下一代數(shù)據(jù)載體，用于構(gòu)筑新型的磁電子學(xué)器件。實現(xiàn)電流驅(qū)動下磁斯格明子在納米賽道中穩(wěn)定、可控的運動，是器件構(gòu)筑中最核心的問題之一。

然而，在過去15年研究中，有兩個關(guān)鍵問題仍未得到有效解決：（1）器件特征尺寸太大，目前實驗上展示的最小條帶寬度大于400 nm，不符合器件的高密度要求；（2）斯格明子霍爾效應(yīng)：磁斯格明子由于其自身獨特的拓樸屬性，在運動過程中產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，這會導(dǎo)致其運動軌跡不可控，并且容易在賽道邊界消失，是器件構(gòu)筑的重要障礙。

針對這兩個問題，杜海峰團(tuán)隊發(fā)展了器件結(jié)構(gòu)單元聚焦離子束加工制備技術(shù)，設(shè)計制備出厚度均勻、邊界／表面平整、非晶層厚度小于2 nm的高質(zhì)量FeGe納米條帶（長度：10 μm；寬度：100 nm），為寬度目前報導(dǎo)的最小尺寸；研制了透射電鏡原位加電芯片，擴(kuò)展了洛蘭茲透射電鏡原位加電功能。

通過控制電流脈沖寬度及電流密度，利用賽道邊界的邊緣態(tài)磁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定斯格明子運動，實現(xiàn)了單個80 nm大小的磁斯格明子在100 nm FeGe賽道中的一維、穩(wěn)定運動。實驗實現(xiàn)：器件特征尺寸約100 nm；最小有效電流脈沖寬度2 ns；最大運動速度接近100 m／s；斯格明子霍爾角為0°。這些結(jié)果展示了納米賽道中磁斯格明子高速、穩(wěn)定的運動特性，為基于磁斯格明子器件的構(gòu)筑奠定了基礎(chǔ)。