什么是斯格明子

1965年，英特爾公司戈登．摩爾提出著名的摩爾定律，用以總結和預期集成電路的發(fā)展，即集成電路上可容納晶體管數(shù)目約每隔18個月便會翻一倍，其性能也會翻倍。然而隨著電路集成度越來越高，摩爾定律也遇到了新的挑戰(zhàn)。因為按照摩爾定律描述的發(fā)展趨勢，集成電路的工藝己進入納米尺度。在芯片上如此高密度的集成元器件，熱耗散問題是一個巨大的挑戰(zhàn)。更嚴重的是，隨著集成電路的工藝進入納米尺度，量子效應會逐漸顯現(xiàn)并占據(jù)支配地位。當描述元器件工作的物理規(guī)律由經(jīng)典物理轉變?yōu)榱孔恿W，試圖按照原來的方式保持集成電路的發(fā)展趨勢就非常困難了。自旋電子學器件利用電子的自旋屬性實現(xiàn)更高效率的信息存儲、傳遞和處理,是打破或規(guī)避上述壁壘的重要途徑。近年來，磁結構中的拓撲屬性及其相關應用被認為將可能成為下一代自旋電子器件的信息載體,是目前該領域的研究熱點之一。

斯格明子（后文均指磁斯格明子）是一種具有準粒子特性并且受拓撲保護的自旋結構，作為一種特殊的磁疇壁，其結構是一種具有渦旋的磁化分布。與磁疇壁類似，斯格明子也存在磁矩的翻轉，而與疇壁不同的地方在于，斯格明子是渦旋結構，它的磁矩翻轉是由中心向外,常見的有布洛赫型斯格明子和奈爾型斯格明子。

圖1斯格明子結構示意圖。（a）奈爾型斯格明子（b）布洛赫型斯格明子

參考文獻：K. Everschor Current-Induced Dynamics of Chiral Magnetic Structures: Skyrmions, Emergent Electrodynamics and Spin-Transfer Torques,2012.

斯格明子是一種天然的信息載體，它顯示出易操控易穩(wěn)定、尺寸小、驅動速度快等優(yōu)越的性質，所以基于斯格明子的電子學器件有望滿足人們對未來器件非易失、高容量、高速度、低功耗等方面的性能要求。

斯格明子應用簡介

斯格明子賽道存儲

最初賽道存儲以納米線作為存儲賽道，磁疇壁充當信息載體，通過電流來驅動磁疇壁的運動。2013年，研究者提出了斯格明子賽道存儲器，用斯格明子取代磁疇壁充當信息載體的賽道存儲具有更大的發(fā)展前景。相較于磁疇壁的驅動電流密度，斯格明子要小5-6個數(shù)量級，這可以帶來更低的能耗和發(fā)熱量。通過將斯格明子進行壓縮，相鄰斯格明子間的距離和斯格明子直徑可以處于同一數(shù)量級，這可以帶來更高的存儲密度。

圖2 基于斯格明子的存儲器

參考文獻：X.C. Zhang et al. Skyrmion-skyrmion and skyrmion-edge repulsions in skyrmion-based racetrack memory, Scientific Reports,5:7643(2015)

斯格明子晶體管

圖3 基于斯格明子的晶體管

參考文獻：X.C. Zhang et al. Magnetic skyrmion transistor: skyrmion motion in a voltage-gated nanotrack, Scientific Reports, 5:11369(2015)

斯格明子也可以用于晶體管方向，開拓半導體發(fā)展新思路。如圖3所示，在器件的一端利用MTJ（磁隧道結）產(chǎn)生斯格明子，隨后使用自旋極化電流來驅動斯格明子向器件另一端運動。為實現(xiàn)晶體管的開關狀態(tài)切換，在器件的中間安裝一個門極。通過向門極施加電壓，產(chǎn)生電場，可以改變材料的垂直磁各向異性，從而控制斯格明子的通斷。當不施加電壓的情況下，斯格明子可以通過門極，來到器件的另一端，這種狀態(tài)定義為開態(tài)；當施加外電場時，斯格明子不通過門極，這種狀態(tài)定義為關態(tài)。

斯格明子的非常規(guī)計算器件

圖4 (a) 基于斯格明子的神經(jīng)計算器件 (b) 基于斯格明子的隨機計算器件

參考文獻：S. Li, et al. Magnetic skyrmion-based artificial neuron device, Nanotechnology,28: 31LT01(2017)

D. Pinna, et al. Skyrmion Gas Manipulation for Probabilistic  Computing Physical Review Applied,9:064018(2018)

相比傳統(tǒng)的計算單元，神經(jīng)形態(tài)計算單在元神經(jīng)網(wǎng)絡方面，具有低功耗、規(guī)模大的運算優(yōu)勢。想要制造神經(jīng)形態(tài)計算單元需滿足：納米級尺寸、非易失性、低功耗等要求。斯格明子為這樣的器件帶來了新的可能，斯格明子具有可控的機動性，可以很好地模擬生物神經(jīng)，同時，斯格明子可以更輕易地擺脫雜質的釘扎效應，這使得它具有更好的穩(wěn)健性。

斯格明子也可以用于隨機計算器件。主流計算技術編碼為常規(guī)二進制格式的數(shù)值，而隨機計算可以連續(xù)地處理隨機的比特流。常規(guī)的半導體電路利用偽隨機數(shù)字生成器和移位寄存器相結合生成信號，會帶來硬件成本高、能效低的缺點。研究人員最近在理論和實驗上發(fā)現(xiàn)了熱誘導產(chǎn)生的斯格明子，這為基于斯格明子的隨機計算設備提供了基礎。

NV掃描探針顯微鏡在斯格明子中的應用案例

斯格明子的研究離不開合適的觀測技術，實空間中觀測斯格明子通常使用這些技術：洛倫茲透射電子顯微鏡（LTEM），原理是利用電子束穿透樣品，記錄電子受到的洛倫茲力；磁力顯微鏡（MFM），使用磁性針尖，利用原子力顯微鏡技術記錄樣品表面磁場作用力；Ｘ射線顯微鏡，原理是Ｘ射線的吸收率能夠反映樣品的磁場；磁光克爾顯微鏡（Moke），利用磁光克爾效應測量磁化分布。這些觀測手段都存在自己的局限性，例如LTEM對樣品尺寸要求苛刻，Moke空間分辨率不高，MFM針尖的磁性會影響斯格明子的成像。

近年來金剛石中存在一種特殊的缺陷結構—氮空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心吸引了廣大研究人員的目光。通過微波與激光對NV色心電子自旋所處量子態(tài)實行操縱與讀出，可以獲得對應NV軸向上磁場分量的強度。NV掃描探針顯微鏡就是將金剛石中的NV色心集成到AFM探針尖端，結合AFM掃描技術，可以獲得樣品表面的磁疇結果，其優(yōu)點在于擁有極高的靈敏度（1 uT/Hz1/2）、空間分辨率（10 nm）和非侵入性。NV掃描探針顯微鏡被用于研究感興趣的各種磁性結構。例如利用掃描磁渦旋雜散場，能夠確定磁渦旋核心的極性和手性；測量磁疇壁的構型并且觀察調(diào)控下的磁疇壁動力學。

研究新材料，制備室溫下零場穩(wěn)定存在、體積小且易操控的斯格明子是科研人員的目標。而掃描NV 顯微鏡很適合在室溫下對斯格明子高分辨定量磁成像。目前，NV掃描探針顯微鏡在研究斯格明子的磁化結構和相關的物理過程已頗有建樹。例如：

1）在一些假設的條件下，能夠從測量的雜散場重構出斯格明子的磁化結構，從布洛赫型和奈爾型斯格明子之間進行區(qū)分。

2）研究斯格明子的結構形態(tài)。例如，Jacques組研究了Pt/FM/Au/FM/Pt鐵磁多層膜中斯格明子形態(tài)。

3）觀察斯格明子的本征動力學演化。例如，Ania組研究了在外磁場變化下Ta/CoFeB/MgO體系中斯格明子的演化。

4）電流驅動斯格明子的動力學過程。

圖5 NV掃描探針顯微鏡解析斯格明子磁結構（Scale bar：500 nm）

參考文獻：Y. Dovzhenko et al., Magnetostatic twists in room-temperature skyrmions explored by nitrogen-vacancy center spin texture reconstruction, Nature Communications 9:2712(2018)

圖6 NV掃描探針顯微鏡用于研究斯格明子形態(tài)

參考文獻：Gross I, Akhtar W, Hrabec A, et al. Skyrmion morphology in ultrathin magnetic films,Physical Review Materials, 2:2024406(2018).

圖7 NV掃描探針顯微鏡用于研究外磁場下的斯格明子

參考文獻：Jenkins A, Pelliccione M, Yu G, et al. Single-spin sensing of domain wall

structure and dynamics in a thin film skyrmion host. Physical Review Materials, 3: 083801(2017)

 圖8 NV掃描探針顯微鏡用于研究電流驅動斯格明子的動力學

參考文獻：Akhtar W, Hrabec A, Chouaieb S, et al. Current induced nucleation and dynamics of

skyrmions in a cobased heusler alloy. Physical Review Applied, 11:034066(2019)

標簽：NV掃描探針