清华研究团队在拓扑磁结构的热电操控和探测方面取得进展

 清华大学物理系江万军课题组在拓扑磁结构的热电操控和探测方面取得研究进展。研究者发现，利用芯片原位加热技术，可以在磁性器件中产生出纳米尺度大小的斯格明子（skyrmion）；且斯格明子会沿热流方向从高温区域向低温区域单向扩散；同时可以通过热电探测的方式原位检测单个斯格明子。

磁性斯格明子是一种具有准粒子特性的手性自旋结构，图一（A）为奈耳构型斯格明子的自旋结构示意图。在磁性金属薄膜中，电流或电流产生的自旋轨道转矩可以用来产生和驱动斯格明子。但利用热效应产生和驱动斯格明子的研究工作尚未见报道。江万军团队在早期研究中发现，随机热涨落下斯格明子会发生与其拓扑数相关的旋性布朗运动，揭示了斯格明子拓扑相关的非平衡热动力学，为研究热产生和热操控斯格明子奠定了基础。

近日，利用美国劳伦兹-伯克利国家实验室同步辐射光源的软X射线全场透射式显微镜，在磁性多层膜[Ta/CoFeB/MgO]₁₅、[Pt/CoFeB/MgO/Ta]₁₅和[Pt/Co/Ta]₁₅中，江万军团队通过芯片原位加热技术成功观测到了纳米尺度斯格明子的产生和运动。图一（B）所示为该类器件的扫描电子显微镜照片，它由清华大学二校门为构型的磁性多层膜纳米结构与原位加热电阻丝组成。在−20mT垂直于器件平面的磁场下，多层膜磁纳米结构的磁畴形态为条纹状（图一C）。当向电阻丝施加一个脉冲电流，即给多层膜纳米结构施加一个脉冲热流后，条纹畴剧变成为密堆积的斯格明子（图一D）。

为了能更准确地研究斯格明子的产生及运动过程，该团队在矩形磁纳米结构中，通过增加电阻丝的发热温度，清晰地观测到斯格明子从纳米结构热端边界处产生、条纹磁畴受热后形变成为斯格明子、斯格明子从热端向冷端做单一方向扩散运动这一过程（图二左）。理论分析与数值模拟表明，原位加热导致具有低能量势垒的位置，如多层膜边界、缺陷、或通过条纹畴的形变可以产生出斯格明子。斯格明子从高温区向低温区单向扩散起源于斯格明子之间的排斥力、热自旋轨道转矩、磁振子自旋转矩以及的熵梯度的等效作用力。在该集成器件中，团队进一步利用反常能斯特热电探测技术原位检测到了约为90nV单个斯格明子的热电信号（图二右）。这种热产生、操控和热电探测斯格明子的方法既可以与现有的电学操控方案集成，还可以用于到无法施加电流的绝缘斯格明子材料中。因此，这项研究不仅有助于斯格明子动力学的研究，而且也为设计新型拓扑自旋电子学器件提供了新的思路。

上述相关研究结果于10月26日以“磁性斯格明子的热产生、热操控及热电探测（Thermal generation, manipulation and thermoelectric detection of skyrmions）”为题发表在《自然·电子学》（Nature Electronics）上。

清华大学物理系博士后王子东、微电子所博士后郭明华、物理系博士后周恒安和2018级物理系博士生赵乐为文章共同第一作者，清华大学物理系江万军副教授和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室林士增研究员为共同通讯作者。论文合作者包括清华大学微电子所吴华强教授、材料学院宋成副教授、北京大学量子材料中心韩伟研究员、韩国蔚山科学技术院Ki-Suk Lee教授、意大利巴里理工大学Mario Carpentieri教授、意大利墨西拿大学Giovanni Finocchio教授和美国劳伦兹伯克利国家实验室Mi-Young Im研究员。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京自然科学基金、清华大学自主科研计划理科专项、北京市高精尖芯片中心（ICFC）等项目的支持。