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存件杜海峰團隊，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），結合高時(shí)空分辨原位洛蘭茲電鏡技術(shù)，實(shí)現了奈秒電脈沖驅動(dòng)下，100 nm寬度賽道中80 nm磁斯格明子一維、穩定、高效的運動(dòng)，為構筑高密度、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賽道中的穩定運動(dòng)〉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，強磁場(chǎng)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(lèi)手性金屬磁性材料中，發(fā)現一種具有非平庸拓樸特性的磁結構，稱(chēng)之為磁斯格明子。其具有尺寸小、穩定性高、電流易操控等優(yōu)點(diǎn)，有望作為下一代數據載體，用于構筑新型的磁電子學(xué)器件。實(shí)現電流驅動(dòng)下磁斯格明子在納米賽道中穩定、可控的運動(dòng)，是器件構筑中最核心的問(wèn)題之一。

然而，在過(guò)去15年研究中，有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題仍未得到有效解決：（1）器件特征尺寸太大，目前實(shí)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：磁斯格明子由于其自身獨特的拓樸屬性，在運動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生偏轉，這會(huì )導致其運動(dòng)軌跡不可控，并且容易在賽道邊界消失，是器件構筑的重要障礙。

針對這兩個(gè)問(wèn)題，杜海峰團隊發(fā)展了器件結構單元聚焦離子束加工制備技術(shù)，設計制備出厚度均勻、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(cháng)度：10 μm；寬度：100 nm），為寬度目前報導的最小尺寸；研制了透射電鏡原位加電芯片，擴展了洛蘭茲透射電鏡原位加電功能。

通過(guò)控制電流脈沖寬度及電流密度，利用賽道邊界的邊緣態(tài)磁結構穩定斯格明子運動(dòng)，實(shí)現了單個(gè)80 nm大小的磁斯格明子在100 nm FeGe賽道中的一維、穩定運動(dòng)。實(shí)驗實(shí)現：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(dòng)速度接近100 m／s；斯格明子霍爾角為0°。這些結果展示了納米賽道中磁斯格明子高速、穩定的運動(dòng)特性，為基于磁斯格明子器件的構筑奠定了基礎。