近日，以中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所、意大利墨西拿大學(xué)等機構(gòu)為核心的國際化科研團隊，在拓撲自旋電子器件與斯格明子應(yīng)用研究中取得重要進展。該研究以“Topological Skyrmion-Based Spin-Torque-Diode Effect in Magnetic Tunnel Junctions”為題發(fā)表在《Advanced Electronic Materials》上。致真精密儀器自旋測試多功能克爾顯微鏡，對斯格明子的靜態(tài)磁疇結(jié)構(gòu)進行了精準成像，為理解其在磁隧道結(jié)中的行為提供了重要實驗依據(jù)。

致真精密儀器自旋測試多功能克爾顯微鏡進行磁疇結(jié)構(gòu)表征分析

隨著物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算的飛速發(fā)展，對納米尺度、低功耗的微波探測與硬件需求日益迫切。磁性隧道結(jié)作為自旋電子學(xué)的核心器件，是構(gòu)建高性能微波探測器的理想平臺。與此同時，一種名為磁性斯格明子的拓撲磁結(jié)構(gòu)，因其具有拓撲保護、尺寸小、驅(qū)動電流低等優(yōu)異特性，成為未來信息存儲和計算器件的研究熱點。

研究團隊制備了亞300納米的納米柱MTJ器件，其底部集成了由[Pt/Co/Ta]?多層膜構(gòu)成的斯格明子層，旨在室溫下穩(wěn)定斯格明子。通過極向磁光克爾效應(yīng)顯微鏡表征，在寬磁場范圍內(nèi)觀察到了孤立的斯格明子（圖1）。關(guān)鍵的證據(jù)來自定量磁力顯微鏡測量，該測量在經(jīng)過差分處理后，直接證實了在MTJ的自由層內(nèi)存在一個單個斯格明子，明確了斯格明子態(tài)已從SkyL被imprinting到MTJ的自由層中。

圖1：通過p-MOKE成像觀察到了孤立的斯格明子

團隊利用自旋轉(zhuǎn)矩鐵磁共振技術(shù)來研究斯格明子的微波響應(yīng)。測量結(jié)果表明，在斯格明子態(tài)穩(wěn)定的區(qū)域（區(qū)域A），成功通過自旋轉(zhuǎn)移矩電激發(fā)了一個共振頻率接近4 GHz的模式（圖2）。作為對比實驗，在無SkyL的傳統(tǒng)MTJ中未觀察到該模式。

圖2：ST-FMR頻譜圖，顯示區(qū)域A中頻率近4 GHz的共振峰，及其窄帶寬特性

通過全3D微磁模擬，研究確認該激發(fā)模式為斯格明子的呼吸模式（圖3）。與MTJ中自由層和參考層的均勻模進動相比，斯格明子呼吸模的共振曲線展現(xiàn)出顯著更窄的帶寬（163 MHz），這帶來了更優(yōu)的選擇性，對于設(shè)計無需微波濾波器的緊湊型微波探測器至關(guān)重要。此外，研究還通過施加特定的磁場路徑，成功實現(xiàn)了零場下斯格明子的穩(wěn)定及其STD效應(yīng)的演示，這對此類器件的實際應(yīng)用具有重要意義。

圖3：微磁模擬結(jié)果，將實驗觀測到的模式與斯格明子呼吸模相關(guān)聯(lián)

本工作不僅展示了首個斯格明子基STD的概念驗證，也標志著斯格明子微波技術(shù)發(fā)展的開端。該結(jié)果呼吁將承載更小斯格明子的斯格明子材料與最先進的TMR堆棧集成，以進一步縮小拓撲二極管的尺寸并增強檢測靈敏度。此項突破預(yù)計將在自旋電子學(xué)及混合CMOS-自旋電子技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生積極推動作用。

在研究中，致真精密儀器自旋測試多功能克爾顯微鏡，應(yīng)用于對薄膜樣品進行磁疇結(jié)構(gòu)成像，成功在室溫、200 Oe外場下觀測到直徑約250 nm的孤立斯格明子，為確認斯格明子態(tài)在[Pt/Co/Ta]?多層膜中的存在及其隨磁場的演化提供了關(guān)鍵直觀證據(jù)。

自旋測試多功能克爾顯微鏡

自旋測試多功能克爾顯微鏡可對磁性材料和自旋電子芯片進行高分辨磁疇成像，分辨率可達250nm,配置高度智能化的控制系統(tǒng)和多功能磁場探針臺,將光學(xué)成像、多維磁場、電學(xué)輸運表征微波測試、變溫模塊集成于一體,一鍵操作便能實現(xiàn)磁場、電流、自旋軌道矩、自旋轉(zhuǎn)移矩等各種激勵條件下的磁動力學(xué)過程觀察。配備微秒級快速反應(yīng)磁場,能夠進行高精度磁疇速度測量和DMI測量。

致真精密儀器

致真精密儀器致力于實現(xiàn)高端科學(xué)儀器和集成電路測試設(shè)備的自主可控和國產(chǎn)替代。

致真精密儀器通過工程化與產(chǎn)業(yè)化攻關(guān)，已成功研發(fā)出一系列應(yīng)用于磁學(xué)、自旋電子學(xué)、納米形貌表征等領(lǐng)域的前沿科研設(shè)備，包括“原子力顯微鏡、高精度VSM、磁光克爾顯微鏡等磁學(xué)測量設(shè)備、各類磁場探針臺、低溫強磁場光學(xué)測量平臺、磁性芯片測試機等產(chǎn)線級設(shè)備”等，如有需要，我們的產(chǎn)品專家可以提供免費的項目申報輔助、產(chǎn)品調(diào)研與報價、采購論證工作，期待與您更深入的交流與合作！

原文標題：客戶成果 | 中科院蘇州納米所《Adv. Electron. Mater.》磁性隧道結(jié)中基于拓撲斯格明子的自旋轉(zhuǎn)矩二極管效應(yīng)

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