斯格明子電子學(xué)的研究進(jìn)展?

趙巍勝 黃陽棋 張學(xué)瑩 康旺 雷娜 張有光

(北京航空航天大學(xué)費(fèi)爾北京研究院,大數(shù)據(jù)科學(xué)與腦機(jī)智能高精尖創(chuàng)新中心,電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

在過去的半個(gè)世紀(jì)中,微電子技術(shù)一直沿著著名的摩爾定律快速發(fā)展,當(dāng)前已經(jīng)達(dá)到單芯片可集成上百億晶體管.然而隨著晶體管尺寸的縮小,因量子效應(yīng)所產(chǎn)生的漏電流及其所導(dǎo)致的熱效應(yīng)使得這一定律遇到瓶頸.自旋電子技術(shù)由于引入了電子自旋這一全新的自由度,將有望大幅度降低器件功耗,突破熱效應(yīng)枷鎖.斯格明子是一種具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的類粒子自旋結(jié)構(gòu),有望成為下一代自旋電子信息載體,引起了從物理到電子領(lǐng)域的廣泛關(guān)注.由于其特殊的拓?fù)湫再|(zhì),斯格明子具備尺寸小、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)閾值電流小等諸多優(yōu)點(diǎn),室溫下斯格明子的成核、輸運(yùn)及探測(cè)進(jìn)一步驗(yàn)證了其廣泛的應(yīng)用潛力,由此誕生了研究相關(guān)器件及應(yīng)用的斯格明子電子學(xué).本綜述從電子學(xué)角度首先介紹斯格明子的基礎(chǔ)概念及發(fā)展現(xiàn)狀、理論及實(shí)驗(yàn)研究方法,重點(diǎn)闡述斯格明子器件的寫入、調(diào)控及讀取功能,介紹了一系列具有代表性的新型信息器件;最后,結(jié)合斯格明子電子學(xué)現(xiàn)狀分析了目前所面臨的發(fā)展瓶頸以及未來的應(yīng)用前景.

1 引 言

1965年,英特爾公司聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾(Gordon E.Moore)預(yù)測(cè)基于微電子技術(shù)的集成電路晶體管數(shù)量及其所對(duì)應(yīng)的運(yùn)算性能將每18個(gè)月翻一倍,這就是著名的摩爾定律(Moore’s law)[1].在過去50年中,這一定律描繪了從第一臺(tái)家用電腦到當(dāng)今隨處可見的精密計(jì)算機(jī)、智能手機(jī),以及各式各樣智能硬件的迅猛發(fā)展.然而隨著單芯片晶體管密度越來越大,器件的功耗與散熱也變得超出了可承受的范圍,摩爾定律即將失效[2].芯片的工作頻率無法進(jìn)一步提高,依靠多核集成的方法可以降低靜態(tài)功耗,但影響了工作性能.另一方面,分離的存儲(chǔ)介質(zhì)與處理芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸消耗了超過芯片一半的功耗.如何進(jìn)一步降低計(jì)算系統(tǒng)功耗、突破芯片散熱瓶頸已經(jīng)成為當(dāng)前電子領(lǐng)域所面臨的核心問題.

1988年,法國科學(xué)家艾伯特·費(fèi)爾(Albtert Fert)和德國科學(xué)家彼得·格林貝格(Peter Andreas Grünberg)共同發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)(giant magnetoresistance,GMR)[3],該效應(yīng)很快被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的硬盤磁頭,使其容量在1997年之后的十年間增長了1000倍,引發(fā)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)革命,并開創(chuàng)了一門新興的學(xué)科——自旋電子學(xué)(Spintronics)[4].自旋電子器件具有靜態(tài)功耗低、可無限次高速讀寫、非易失性存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是突破當(dāng)前瓶頸的關(guān)鍵技術(shù),受到了廣泛關(guān)注.隨后,自旋電子學(xué)迅速地發(fā)展起來,并獲得了一系列重要研究成果.例如,隧穿磁電阻效應(yīng)(tunnel magnetoresistance,TMR)[5?8]、自旋轉(zhuǎn)移矩(spin transfer torque,STT)[9,10],自旋軌道矩(spin orbit torque,SOT)等[11?14]效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),使得實(shí)用的自旋電子器件成為可能.2006年,基于自旋電子技術(shù)的磁阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(magnetic random access memory,MRAM)開始商用,在航空航天等高可靠性領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[15].自2018年底,三星(Sam sung),臺(tái)積電(TSMC)、格羅方德(G lobal-Foundries)、聯(lián)華電子(UMC)等全球領(lǐng)先半導(dǎo)體企業(yè)都計(jì)劃量產(chǎn)STT-MRAM,這將推動(dòng)自旋電子技術(shù)進(jìn)一步的快速發(fā)展.近年來,磁結(jié)構(gòu)中的拓?fù)鋵傩约捌湎嚓P(guān)應(yīng)用被認(rèn)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(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.

2 斯格明子的概念定義及發(fā)現(xiàn)過程

斯格明子(skyrmion)一詞源自英國核物理學(xué)家托尼·斯格明(Tony Skyrme).他在60年代提出了一套用于描述介子(pion)間相互作用的非線性場(chǎng)理論,并進(jìn)一步預(yù)言了一種具有拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)的類粒子穩(wěn)定場(chǎng)結(jié)構(gòu)的存在,即斯格明子[16].這一結(jié)構(gòu)在液晶[17],玻色-愛因斯坦凝聚[18],量子霍爾磁體等[19]不同領(lǐng)域中均有發(fā)現(xiàn).1975年,Belavin和Polyakov[20]在理論上提出了一種存在于二維鐵磁體中的類粒子亞穩(wěn)態(tài),即本文所研究的磁性斯格明子(下文中均簡稱為“斯格明子”).它是一種在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上非平庸的具有渦旋組態(tài)的手性自旋結(jié)構(gòu)[21].相較于平庸的磁性結(jié)構(gòu),斯格明子在能量上具有拓?fù)洳贿B續(xù)性,因而具有更高的穩(wěn)定性.20世紀(jì)90年代,理論物理學(xué)家們又成功地預(yù)言了二維電子氣的量子霍爾態(tài)中存在斯格明子[19,22].但是一直到2006年,R??ler等[23]才第一次在理論上證實(shí)了自發(fā)穩(wěn)定存在的斯格明子態(tài)廣泛地存在于具備空間反衍對(duì)稱性破缺的磁性薄膜或體材料中.其中,體材料主要指具有B20晶格結(jié)構(gòu)的磁體,如FeGe,MnSi等.2009年,在磁性材料體系中第一次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到斯格明子,即是在MnSi手性材料中[24?26].緊接著,Heinze團(tuán)隊(duì)[27]于2011年在Fe/Ir磁性薄膜體系中觀測(cè)到了二維斯格明子陣列.在此之后,多種不同體系中斯格明子的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)得到了廣泛的研究[28?30].2013年,Fert團(tuán)隊(duì)[31,32]通過微磁學(xué)模擬建模的方法,系統(tǒng)研究了單個(gè)斯格明子在多層膜納米帶結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生、穩(wěn)定性以及電流驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象,提出斯格明子可以作為新一代自旋電子器件中的信息存儲(chǔ)載體.之后,多個(gè)課題組在不同的材料和結(jié)構(gòu)體系下發(fā)現(xiàn)了室溫[33?38]、甚至高于室溫條件下[39,40]穩(wěn)定存在的斯格明子,進(jìn)一步從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了斯格明子相關(guān)器件的可行性;一些全新的材料體系中的斯格明子也不斷被發(fā)現(xiàn)[28,41,42].近年來,隨著對(duì)斯格明子的深入研究,從存儲(chǔ)[31]、邏輯[43,44]到新一代非馮·諾依曼體系計(jì)算架構(gòu)[45?47]的相關(guān)的器件及應(yīng)用場(chǎng)景被提出,由此產(chǎn)生了一門新型交叉分支學(xué)科——斯格明子電子學(xué)[48?50].

3 斯格明子的拓?fù)浞€(wěn)定性及Dzyaloshinskii-Moriya相互作用

在磁性材料中,斯格明子的產(chǎn)生源自多種物理機(jī)理及其之間的協(xié)同作用.其中主要包括以下四種機(jī)理:1)長程磁偶極相互作用(long-ranged magnetic dipolar interactions),在具有垂直磁各向異性的磁性薄膜中,該相互作用與磁各向異性形成競(jìng)爭,從而產(chǎn)生周期性的磁條帶,并在垂直方向外磁場(chǎng)的作用下,轉(zhuǎn)化為斯格明子陣列,由此所產(chǎn)生的斯格明子尺寸一般較大,直徑在100 nm—1μm之間[51?53];2)Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DM相互作用)[54,55],源自磁體晶格或磁性薄膜界面處的對(duì)稱性缺失.由于交換相互作用傾向于使相鄰磁矩呈現(xiàn)平行或反平行排列,而DM相互作用傾向于使相鄰磁矩垂直排列,從而降低了斯格明子在鐵磁態(tài)背景中所具有的能量,使得其能夠穩(wěn)定存在,該類型的斯格明子尺寸取決于DM相互作用的大小,通常在5—100 nm之間;3)阻挫交換相互作用(frustrated exchange interactions)[56];4)四自旋交換相互作用(four-spin exchange interactions)[27].其中3)和4)情況下的斯格明子尺寸與材料晶格尺寸相當(dāng),約1 nm.由于在1)和2)情況下,斯格明子及斯格明子陣列尺寸大于晶格常數(shù),滿足連續(xù)性近似條件,且相應(yīng)的斯格明子能量密度遠(yuǎn)小于原子間的交換能J,使得該型斯格明子能夠被相對(duì)容易地產(chǎn)生及消滅,并同時(shí)具有容易移動(dòng)、不受晶格釘扎影響的特點(diǎn).由于DM相互作用所產(chǎn)生的斯格明子相對(duì)磁偶極相互作用下的斯格明子尺寸更小,是斯格明子電子器件的理想信息載體,因而本文著眼于研究該類型斯格明子.

相鄰兩原子自旋之間DM相互作用對(duì)應(yīng)的哈密頓量可以用如下公式表示:

其中D12是DM矢量,S1和S2是相鄰兩原子間的原子自旋.這一效應(yīng)產(chǎn)生于一種三端的間接交換機(jī)理,即相鄰兩原子自旋與另一相鄰的具有強(qiáng)自旋軌道耦合的原子相互耦合[57,58].由于DM矢量的方向不同,可以形成兩種不同的斯格明子,即奈爾型(Néel type)與布洛赫型(Bloch type),如圖1所示.其自旋周期長度均正比于交換相互作用系數(shù)J與DM相互作用系數(shù)D的比值J/D,在數(shù)納米到數(shù)微米之間[59].體材料中的斯格明子大多都屬于布洛赫型,而薄膜材料中由于DM矢量平行于薄膜平面,則會(huì)形成奈爾類型斯格明子.

圖1 (a)布洛赫型斯格明子,其橫截面為布洛赫型的手性磁疇壁;(b)奈爾型斯格明子,其橫截面為奈爾型的手性磁疇壁Fig.1.(a)B loch-skyrmions with cross section as bloch type chiral domain walls;(b)Néelskyrmions with cross section as Néel type chiral domain walls.

斯格明子的拓?fù)鋵傩钥梢杂盟垢衩髯訑?shù)(skyrmion number)進(jìn)行描述,其定義如下:

其中n為自旋單位方向矢量.該式描述了自旋在拓?fù)鋯挝粓A上環(huán)繞的圈數(shù)[60].斯格明子所對(duì)應(yīng)的斯格明子數(shù)恰好為±1,同時(shí)也存在其他整數(shù)的情況,例如斯格明子數(shù)為2的雙斯格明子.斯格明子數(shù)為整數(shù)的磁性結(jié)構(gòu)不能連續(xù)變化為斯格明子數(shù)為0的鐵磁態(tài)或是其他結(jié)構(gòu),因而具有拓?fù)浞€(wěn)定的特性[31].由于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性質(zhì),斯格明子相關(guān)的許多獨(dú)特的拓?fù)洮F(xiàn)象已經(jīng)引發(fā)了新一輪的研究熱潮.例如具有DM相互作用磁體中的斯格明子及其霍爾輸運(yùn)[61,62]、熱流與斯格明子的相互作用[63],電流驅(qū)動(dòng)下斯格明子的相關(guān)運(yùn)動(dòng)及其控制等[64].

近年來,由斯格明子衍生出的一系列全新的拓?fù)湎嚓P(guān)自旋結(jié)構(gòu)也引起了廣泛的關(guān)注.南京大學(xué)丁海峰團(tuán)隊(duì)[65,66]預(yù)測(cè)了在無DM相互作用的磁性體系中利用層間耦合產(chǎn)生了人工斯格明子(artificial skyrmion),其優(yōu)點(diǎn)是能夠在較大的溫度范圍內(nèi)保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,該結(jié)構(gòu)在之后被多個(gè)美國研究團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.中國科學(xué)院物理研究所王文洪團(tuán)隊(duì)[67]在M nNiGa中發(fā)現(xiàn)了雙斯格明子(biskyrmion),這一特殊結(jié)構(gòu)在具有寬域溫度穩(wěn)定性(100—340 K)的同時(shí),可以更加容易地實(shí)現(xiàn)輸運(yùn).中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心的杜海峰團(tuán)隊(duì)及其合作者在強(qiáng)邊界約束的手性磁納米盤中觀測(cè)到了靶斯格明子(target skyrmion),可以在無外場(chǎng)的情況下穩(wěn)定存在[68].此外,Nagaosa團(tuán)隊(duì)[69]利用仿真驗(yàn)證了具有相反斯格明子數(shù)的拓?fù)錅u旋結(jié)構(gòu)反斯格明子(antiskyrmion).該結(jié)構(gòu)在手性磁體中無法穩(wěn)定,但是可以在偶極磁體中存在.其斯格明子數(shù)反號(hào),具備許多新的拓?fù)湫再|(zhì).另一種新的結(jié)構(gòu)——多環(huán)斯格明子(skyrmionium)具有斯格明子數(shù)為零的特點(diǎn)[70?72].由于其特殊的拓?fù)湫再|(zhì),該結(jié)構(gòu)在自旋流作用下不會(huì)發(fā)生斯格明子霍爾效應(yīng),同時(shí)具有更高的移動(dòng)速率,在動(dòng)力學(xué)特性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).

4 斯格明子的主要研究方法

4.1 微磁仿真計(jì)算

為了研究斯格明子及其特殊的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)在產(chǎn)生、電流驅(qū)動(dòng)等方面的性質(zhì),Fert等[31,32]在2013年建立了首個(gè)斯格明子微磁學(xué)模型.他們?cè)趥鹘y(tǒng)的微磁學(xué)模擬中加入了DM相互作用所對(duì)應(yīng)的哈密頓量,如(1)式所示.

在一個(gè)連續(xù)的磁化模型之中,(1)式可以進(jìn)一步推導(dǎo)為

其中εDM表示DM相互作用所對(duì)應(yīng)的能量密度;mx,my,mz分別代表x,y,z方向的歸一化磁化強(qiáng)度,即m=M/Ms,Ms為樣品的飽和磁化強(qiáng)度,在均勻系統(tǒng)中可以作為常數(shù)處理.(3)式中的D是一個(gè)與DM矢量相關(guān)的數(shù)值,其大小可以用(4)式計(jì)算,

其中j D12j表示DM矢量D12的模長;a為鐵磁原子的原子晶格常數(shù),通常在1 nm左右;t則表示鐵磁層的薄膜厚度.

將DM相互作用代入傳統(tǒng)的微磁學(xué)模型,求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程(LLG方程),從而獲得鐵磁材料中具體的磁化分布.其方程形式如下[73?75]:

其中M為磁化強(qiáng)度,Heff是等效磁場(chǎng),γ是吉爾伯特旋磁比,α則是阻尼系數(shù).該等效磁場(chǎng)又可以用(6)式表示,

μ0是真空磁導(dǎo)率,而E是與磁化強(qiáng)度相關(guān)的平均能量密度.該能量密度包括4種不同的貢獻(xiàn)來源,分別為交換能(exchange energy),磁各向異性能(anisotropy energy),塞曼能(zeem an energy),退磁能(demagnetic energy)以及新加入的DM相互作用能.因此,總能量密度E可以用(7)式表達(dá):

式中,A,K分別表示交換能和磁各向異性能常數(shù);H與Hd分別表示外加磁場(chǎng)及退磁場(chǎng).

通過以上方程的求解,可以清楚地了解到鐵磁材料中磁矩隨著時(shí)間的變化情況.為了進(jìn)一步研究斯格明子在電流驅(qū)動(dòng)下的行為,還需加入由電流所導(dǎo)致的扭矩項(xiàng).根據(jù)電流自旋注入方式的不同,可以把其分為面內(nèi)注入型與垂直注入型.

面內(nèi)注入的電流磁矩主要來自鐵磁層中電流所導(dǎo)致的STT.該磁矩包括絕熱項(xiàng)(adiabatic torque)與非絕熱項(xiàng)(non-adiabatic torque),表示如下:

式中,γ為旋磁比,}為約化普朗克常量,P為自旋極化系數(shù),j為電流密度,β為非絕熱因子[76].

而對(duì)于垂直注入的自旋極化電流來說,其所導(dǎo)致的自旋矩主要包括兩項(xiàng),即面內(nèi)項(xiàng)(in-plane torque)以及垂直平面項(xiàng)(out-of-plane torque).表達(dá)如下[77]:

式中,t為磁性薄膜厚度,ξ為一個(gè)與面內(nèi)磁矩大小相關(guān)的垂直磁矩幅度系數(shù),mp為電流的自旋極化矢量.這一自旋注入方式通?？梢酝ㄟ^自旋霍爾效應(yīng)獲得.

4.2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法

2009年,Mühlbauer等[24]首次在實(shí)驗(yàn)上使用中子散射的方法觀測(cè)到了斯格明子.利用這一方法,他們?cè)诰哂蠦20晶體結(jié)構(gòu)的MnSi塊材中成功觀測(cè)到斯格明子在倒空間中所形成的中子衍射點(diǎn),并給出了該體系下斯格明子存在的條件相圖,如圖2所示.

圖2 MnSi的磁性相圖,圖中A-phase即對(duì)應(yīng)斯格明子相態(tài)[24]Fig.2.Phase map of magnetization in MnSi.The A-phase is corresponding to the skyrmion state[24].

但是,中子散射僅僅能探測(cè)到斯格明子的存在,并不能給出其實(shí)空間的磁矩分布.2010年,Nagaosa團(tuán)隊(duì)利用洛倫茲透射電子顯微鏡(Lorentz transmission electron microscopy,LTEM)解決了這一問題[28],并在之后被廣泛地應(yīng)用于MnSi等[78,79],FeGe[68,80?82]B20結(jié)構(gòu)樣品中斯格明子的觀測(cè).具體的測(cè)試方法是分別利用LTEM在正焦(in-focus)、欠焦(under-focus)、以及過焦(overfocus)狀態(tài)下對(duì)Fe0.5Co0.5Si薄膜樣品的同一區(qū)域進(jìn)行成像,如圖3(a)—(c)所示.將這三種測(cè)試結(jié)果進(jìn)行磁強(qiáng)度傳輸方程的計(jì)算(magnetic transport of-intensity equation calculation,TIE計(jì)算),即可得出面內(nèi)的磁結(jié)構(gòu)分布信息.強(qiáng)度傳輸方程表示為

式中,I(x,y)和?(xy)分別表示電子波的強(qiáng)度分布與相位分布.λ為電子波的波長.而根據(jù)麥克斯韋-安培方程(Maxwell-Ampere equation),電子波相位分布?(xy)與磁化強(qiáng)度m具有如下關(guān)系:

n為平行于電子束方向的單位矢量,t為樣品厚度.

圖3 (a)欠焦、 (b)過焦、 以及(c)正焦?fàn)顟B(tài)下Fe0.5 Co0.5Si薄膜的LTEM 圖像;(d)經(jīng)過強(qiáng)度傳輸方程計(jì)算后得到樣品的面內(nèi)磁場(chǎng)分布[28]Fig.3.(a)Under-focused,(b)over-focused,(c)infocused LTEM image of Fe0.5Co0.5Si thin films;(d)In plane magnetization distribution of the sample acquired by TIE calculation.

另一種具有足夠分辨率、能夠在實(shí)空間觀測(cè)到斯格明子的方法是利用X射線穿透樣品.2016年,Fert團(tuán)隊(duì)[33]及Beach團(tuán)隊(duì)[34]分別利用掃描X射線透射顯微鏡(scanning X-ray transmission microscopy,STXM)發(fā)現(xiàn)了室溫下(Ir/Co/Pt)10多層膜和Pt/Co/Ta結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定存在的斯格明子.同年,Boulle等[83]也通過X射線磁圓二色光電子顯微鏡(photoemission electron microscopy combined with X-ray magnetic circular dichroism,XMCDPEEM)觀測(cè)到了室溫下Pt/Co/MgO結(jié)構(gòu)中的斯格明子.

雖然利用X射線可以取得足夠精確的分辨率,但是實(shí)驗(yàn)條件苛刻,實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜.近年來,磁力顯微鏡(magnetic force microscopy,MFM)也被廣泛地應(yīng)用于觀測(cè)材料表面納米尺度的斯格明子結(jié)構(gòu)[84],甚至可以動(dòng)態(tài)地表征其運(yùn)動(dòng)[85].而對(duì)于尺寸較大的斯格明子(微米級(jí))來說,極性磁光克爾顯微鏡(polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)microscope)能夠更加方便、直觀地觀測(cè)到斯格明子.實(shí)際上第一個(gè)在室溫下觀測(cè)到的斯格明子即是采用這種相對(duì)簡單易行的方法[36].

5 斯格明子電子學(xué)基礎(chǔ)

5.1 斯格明子的成核

斯格明子是具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的自旋結(jié)構(gòu),因此,在斯格明子成核的過程中需要克服其拓?fù)浞€(wěn)定性勢(shì)壘[32].實(shí)際操作中,可以通過多種途徑實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),包括外加磁場(chǎng)、局域熱效應(yīng)、自旋波、電流等方式.外加磁場(chǎng)可以改變系統(tǒng)的整體能量,從而獲得斯格明子穩(wěn)定存在的能量相態(tài).如前文所述,當(dāng)外加磁場(chǎng)與系統(tǒng)溫度處于某一區(qū)間(A-phase)時(shí),在B20結(jié)構(gòu)材料體系(MnSi,FeGe等)中的自旋分布會(huì)出現(xiàn)由斯格明子組成的能量基態(tài)[86?89],并產(chǎn)生整齊排列的斯格明子陣列(skyrmion lattice).最早觀察到的斯格明子即是采用這種方式在MnSi塊材中激發(fā)得到[24].通過將MnSi材料做成具有菱形截面的納米線,甚至可以通過外加磁場(chǎng)精確控制在其截面產(chǎn)生及湮沒的斯格明子[90].進(jìn)一步通過對(duì)FeGe的研究發(fā)現(xiàn),這一方法得到的斯格明子會(huì)首先在材料的缺陷[91]或是邊緣[92,93]處成核.另一種方法則是利用激光在磁性材料局域產(chǎn)生焦耳熱,從而克服系統(tǒng)能量壁壘產(chǎn)生斯格明子.Nagaosa團(tuán)隊(duì)[94]與Finazzi團(tuán)隊(duì)[95]分別就理論及實(shí)驗(yàn)角度證實(shí)了這一構(gòu)想.類似的方法還有使用自旋波的疊加,也同樣可以賦予鐵磁材料的局部以較高的能量,從而實(shí)現(xiàn)斯格明子的產(chǎn)生及湮沒[96].以上方法雖然能夠有效地使得斯格明子成核,但是由于需要使用磁場(chǎng)、激光等外部手段,并不適用于斯格明子器件的應(yīng)用.因此,電學(xué)方法產(chǎn)生斯格明子具有更加實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值,受到廣泛的關(guān)注.

數(shù)學(xué)模擬證明在具有DM相互作用的磁性納米盤中垂直通過的自旋極化電流將能夠產(chǎn)生斯格明子或是類似的具有拓?fù)鋵傩缘拇判詼u旋結(jié)構(gòu)[97?99].更一般的情況下,在平面的磁性材料結(jié)構(gòu)中利用一束極細(xì)的自旋極化電流注入處于鐵磁態(tài)的樣品中,翻轉(zhuǎn)局部的磁矩方向,在合適的DM相互作用下,系統(tǒng)將最后穩(wěn)定為一個(gè)單獨(dú)的斯格明子,如圖4(a)所示[32,50].然而這一方法所需要的電流密度相對(duì)較大(一般為1012A/m2量級(jí)),通過磁性隧道結(jié)(magnetic tunneling junction,MTJ)無法實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想.因此,在設(shè)計(jì)中我們提出采取自旋閥(spin valve)進(jìn)行垂直自旋注入的設(shè)計(jì)[100].我們發(fā)現(xiàn),具有微波振蕩的驅(qū)動(dòng)電流相較于直流驅(qū)動(dòng)電流能夠更加有效地產(chǎn)生斯格明子,并顯著地降低閾值電流密度.當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流振蕩頻率接近疇壁回轉(zhuǎn)模式頻率時(shí),激發(fā)斯格明子所需的電流密度最小(約1.4×1012A/m2,同一模型無微波輔助情況下,閾值電流密度約1.8×1012A/m2)[101].同時(shí),在特定情況下,這一結(jié)構(gòu)還能產(chǎn)生具有更高斯格明子數(shù)(例如斯格明子數(shù)為2)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[102],是研究類似結(jié)構(gòu)的常用自旋注入方法.

在實(shí)驗(yàn)上,W iesendanger團(tuán)隊(duì)[103]利用自旋極化的掃描隧穿顯微鏡(spin polarized scanning tunneling microscopy,SP-STM)實(shí)現(xiàn)了局部磁矩的翻轉(zhuǎn).他將自旋極化電流通過SP-STM的探針注入到Ir基底的FePd雙層膜上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)斯格明子產(chǎn)生及湮沒的精確控制,如圖4(b)所示.進(jìn)一步地,將自旋極化的探針替換為非磁性探針,自旋極化的電流替換為電場(chǎng),也觀測(cè)到了類似的斯格明子產(chǎn)生及湮沒[104].

圖4 (a)利用垂直注入的自旋極化電流產(chǎn)生斯格明子的器件構(gòu)想;(b)通過SP-STM的探針在材料局部注入自旋極化電流,從而翻轉(zhuǎn)局部磁矩,產(chǎn)生斯格明子[103]Fig.4.(a)The structure of skyrmion nucleation device with out-of-plane spin polarized current injection;(b)local in jection of spin polarized current by STM tip.A skyrmion is nucleated by switching the local magnetization[103].

圖5 (a)斯格明子可以通過一對(duì)窄帶中的DW推動(dòng)到寬帶中獲得[105];(b)在實(shí)驗(yàn)上通過類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)生微米級(jí)別的斯格明子已經(jīng)得到證實(shí)[36]Fig.5.(a)Skyrm ions can be nucleated by driving DW from narrow tracks into wide tracks[105];(b)this theoretical prediction is already demonstrated by experiment[36].

另一種方法是利用磁疇壁(dom ain wall,DW)在特定結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)化為斯格明子.這一方法最初由周艷團(tuán)隊(duì)通過仿真進(jìn)行證實(shí)[105].在這一設(shè)計(jì)中,一段較窄的納米線(窄線)和一段較寬的納米線(寬線)相連接.在電流的作用下,一對(duì)包含數(shù)據(jù)信息的DW被從窄線推到寬線中.由于不同位置的DW在此過程中會(huì)受到不同方向的自旋矩,最終將導(dǎo)致一種具備拓?fù)浔Ｗo(hù)性質(zhì)的斯格明子磁泡的產(chǎn)生,如圖5(a)所示.2015年,Hoffmann團(tuán)隊(duì)[36]首次在實(shí)驗(yàn)中利用類似器件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了微米尺度斯格明子與DW的轉(zhuǎn)換,如圖5(b)所示,從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了這一方法的可行性.這也是實(shí)驗(yàn)中首次在室溫下直接觀測(cè)到的斯格明子產(chǎn)生,為斯格明子的相關(guān)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其理論分析[106,107]也進(jìn)一步揭示了非均勻的自旋極化電流產(chǎn)生斯格明子的作用機(jī)理.最新的研究表明,更小的納米尺寸的斯格明子同樣可以通過在納米線中通入自旋電流得到[85].

5.2 斯格明子的輸運(yùn)

當(dāng)一個(gè)電子在連續(xù)變化的非共線磁體中運(yùn)動(dòng)時(shí),其自旋取向隨磁矩方向而時(shí)刻變化,并且在電子與磁結(jié)構(gòu)間產(chǎn)生一個(gè)相互作用力[108?112].斯格明子由于其特殊的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu),當(dāng)載流子經(jīng)過斯格明子時(shí)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)力[113?115],同時(shí)斯格明子的運(yùn)動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)繼承其拓?fù)鋵傩缘男滦痛艌?chǎng)[116].相對(duì)DW而言,斯格明子在電流驅(qū)動(dòng)下具有更高的耦合效率,因而將有望大幅降低操控電流密度[117],實(shí)現(xiàn)高效低功耗的信息傳輸[31].在納米線中,斯格明子可以被兩種電流導(dǎo)致的效應(yīng)驅(qū)動(dòng),即鐵磁層中的面內(nèi)電流產(chǎn)生的STT,以及由重金屬層中電流的自旋霍爾效應(yīng)(spin hall effect,SHE)所產(chǎn)生的SOT,如圖6所示[32,49,50].

圖6 (a)STT和(b)SOT驅(qū)動(dòng)斯格明子時(shí)電流的作用方式示意圖Fig.6.Schematic diagrams of(a)STT and(b)SOT driven skyrmions.

這兩種轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的具體形式已在前文關(guān)于仿真方法的討論中詳細(xì)說明.在上述自旋矩作用下的斯格明子運(yùn)動(dòng)可以用蒂勒方程(Thiele equation)[118?120]進(jìn)行描述.在不加入電流所引發(fā)的自旋矩的情況下,該方程可表示為[32]

其中v是斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度;F代表施加于斯格明子的外力,在納米線等受限運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)中一般來自于邊界;G是陀螺向量;α為阻尼系數(shù);D為耗散矩陣.假設(shè)斯格明子在運(yùn)動(dòng)過程中形狀并未發(fā)生改變,納米線的長度方向?yàn)閤方向,垂直薄膜方向?yàn)閦方向,則陀螺向量G可以寫為G=(0,0,4πQ),Q為斯格明子所對(duì)應(yīng)的斯格明子數(shù)(skyrmion number).此時(shí),耗散矩陣D則可以寫為

在STT作用的情況下,(12)式可表達(dá)為

其中β為STT項(xiàng)中的非絕熱因子;u為導(dǎo)電電子的遷移速度,為電流的自旋極化率;a為鐵磁材料的晶格常數(shù);Ms為飽和磁化強(qiáng)度;j為電流密度.

由(13)式可以導(dǎo)出斯格明子在納米線中的運(yùn)動(dòng)速度如(14)式所示:

同時(shí),斯格明子還會(huì)受到y(tǒng)方向的馬格努斯力[121],并在y方向產(chǎn)生一個(gè)偏移[31,64,122].由于受到納米線邊界的排斥作用[123],隨著斯格明子在y方向坐標(biāo)的變化,其所受到的力F可以近似地表示為F=?kyey,ey為y方向單位向量.當(dāng)斯格明子沿x方向穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí),將在y方向出現(xiàn)一個(gè)恒定的偏移量.將F代入(13)式,可以得出此偏移量的表達(dá)式為

從上述公式可以看出,α與β的比值直接決定了斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度與偏移量.當(dāng)α=β時(shí),斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度與載流子運(yùn)動(dòng)速度一致(v=u);且這時(shí)斯格明子在y方向上的偏移量為0.當(dāng)斯格明子在隨空間變化的α與β中運(yùn)動(dòng)時(shí),可以明顯地觀察到其運(yùn)動(dòng)軌跡隨著參數(shù)的變化而變化[124].

對(duì)于SHE所產(chǎn)生的SOT作用下的斯格明子運(yùn)動(dòng),可以將(12)式改寫為如下形式[125]:

其中B與SHE相關(guān);R為面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)矩陣;JHM為重金屬層中的電流密度,也即產(chǎn)生自旋霍爾效應(yīng)的電流.求解(16)式可以得到在這一情況下斯格明子在x與y方向均獲得一速度:

由(17)式可以得出此時(shí)斯格明子在x與y方向同時(shí)獲得一與自旋霍爾電流成正比的速度,其運(yùn)動(dòng)軌跡將沿x方向呈現(xiàn)一夾角.在y方向運(yùn)動(dòng)受到限制的納米線中,斯格明子受到邊界的作用,將沿x方向穩(wěn)定運(yùn)動(dòng),并在y方向具有一定偏移,如圖7(a)所示.

斯格明子在不同方式的驅(qū)動(dòng)電流作用下具有不同的速度表達(dá)式,通過仿真計(jì)算可以得到在同一體系下斯格明子的速度隨電流密度的變化規(guī)律,如圖7(b)所示.隨著驅(qū)動(dòng)電流密度的增加,斯格明子的速度呈線性增長,符合公式中的正比關(guān)系.對(duì)比STT與SOT兩種驅(qū)動(dòng)模式,可以看出在相同驅(qū)動(dòng)電流密度的情況下,SOT可以獲得更高的效率[125].同時(shí),由于SOT產(chǎn)生于電阻率更低的重金屬層中,使得其在相同電流密度下功耗更低.因此,在斯格明子賽道存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)中,以SOT作為驅(qū)動(dòng)源能夠獲得更快的器件速度與更好的能效性能.

斯格明子的電流驅(qū)動(dòng)相對(duì)于以往運(yùn)用于賽道存儲(chǔ)器的磁疇壁來說具有相似的速度表達(dá)式和電流密度與速度的比例關(guān)系.但是,由于斯格明子特殊的拓?fù)鋵傩?使得其具備明顯的優(yōu)點(diǎn):更低的閾值驅(qū)動(dòng)電流以及對(duì)于器件中缺陷的魯棒性[31,32,64,122].通常情況下,要驅(qū)動(dòng)DW運(yùn)動(dòng)的閾值電流在1011—1012A/m2,而驅(qū)動(dòng)斯格明子理論上只需要106A/m2的電流,比DW低5到6個(gè)數(shù)量級(jí).這也代表著斯格明子可以更加精確地被電流控制.理論研究同時(shí)證明了斯格明子在樣品存在缺陷的情況下可以靈活地繞開缺陷,從而避免了DW賽道中由缺陷導(dǎo)致的DW釘扎等問題.相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作也進(jìn)一步展示了電流驅(qū)動(dòng)下的斯格明子動(dòng)力學(xué)特性.首先,斯格明子可以在納米線中被電流驅(qū)動(dòng),但遺憾的是在驅(qū)動(dòng)效率上目前理論和實(shí)驗(yàn)并不能很好地符合,驅(qū)動(dòng)斯格明子所需的閾值電流較理論值偏高(108—1011A/m2).這是由于納米線結(jié)構(gòu)與材料中的缺陷間隔往往小于斯格明子尺寸,使其不能如理論一樣繞過缺陷[34,36].其次,斯格明子霍爾效應(yīng),即在y方向存在的偏移,也在實(shí)驗(yàn)上被直接觀測(cè)到[126,127].

圖7 (a)斯格明子在SOT作用下運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生一個(gè)垂直于納米線方向的偏移;(b)受限納米線結(jié)構(gòu)中斯格明子在STT與SOT作用下運(yùn)動(dòng)速率與電流密度的關(guān)系,當(dāng)SOT電流過大時(shí),斯格明子偏移過大,會(huì)受到邊界作用被破壞Fig.7.(a)A transverse motion of skyrmions will occur with SOT driven current;(b)in constricted geometry,the relation between skyrmion moving speed and current density driven by STT and SOT,respectively.With a large SOT driven current,skyrmions will be driven too close to the edge of the track and annihilated.

在斯格明子器件的相關(guān)研究中,斯格明子霍爾效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致斯格明子沿y方向偏移.由于納米線邊界會(huì)對(duì)斯格明子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一定的阻尼效應(yīng)[128],斯格明子沿y方向運(yùn)動(dòng)距離越大,其x方向速度越低.當(dāng)電流足夠大時(shí),過大的y向馬格努斯力甚至?xí)茐乃垢衩髯?使其湮沒[123].為避免斯格明子湮沒造成的信息丟失,一種方法是優(yōu)化納米線邊界條件,使得斯格明子在邊界具有更高的勢(shì)能,從而提高斯格明子受到的邊界排斥力[129,130].另一種方法則可以通過控制斯格明子驅(qū)動(dòng)電流來實(shí)現(xiàn).由于在器件中,通常需要逐個(gè)寫入和讀取斯格明子序列中的信息,驅(qū)動(dòng)斯格明子的電流往往并非連續(xù)電流.在仿真中,斯格明子在驅(qū)動(dòng)電流關(guān)閉后會(huì)繼續(xù)受到邊界排斥力,從而回到納米線y方向的中心位置.在原本會(huì)導(dǎo)致斯格明子湮沒的電流密度下,通過控制驅(qū)動(dòng)電流的脈沖持續(xù)時(shí)間和間隔時(shí)間,可以避免斯格明子被移出納米線[100],如圖8(a)所示.這樣的設(shè)計(jì)既利用較大的驅(qū)動(dòng)電流增大了斯格明子遷移速率,同時(shí)也保證了斯格明子的完整性.這一研究同時(shí)表明,為了使斯格明子不至于湮沒在納米線邊界而能取得的最大電流密度與納米線的寬度密切相關(guān),寬度越大,斯格明子可承受的驅(qū)動(dòng)電流也越大,同時(shí)代表著其遷移速率的增加,如圖8(b)所示.由此可見,器件的運(yùn)行速率(斯格明子遷移速率)與器件面積(納米線寬度)存在競(jìng)爭關(guān)系,在器件設(shè)計(jì)中需要對(duì)速率與密度進(jìn)行取舍.

圖8 (a)在受限納米線中,過大的驅(qū)動(dòng)電流會(huì)使得斯格明子在納米線邊界處發(fā)生湮沒,但是通過采取脈沖驅(qū)動(dòng)電流,并采取合適的脈沖寬度和間隔,可以有效避免這一情況的發(fā)生;(b)斯格明子在納米線中遷移速率與驅(qū)動(dòng)電流密度呈現(xiàn)正比關(guān)系,但隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大,為保證斯格明子不在邊界處湮沒,納米線的最小寬度也隨之增大,器件的信息傳輸速率(斯格明子遷移速率)與面積(納米線寬度)之間存在競(jìng)爭關(guān)系Fig.8.(a)In constricted geometry,skyrmions will be annihilated in the edge due to the large driven current.By using pulse current with certain duration and interval,this annihilation of skyrmions can be prevented;(b)the moving speed of skyrmions is directly proportional to the driven current density.However,with a larger skyrmion moving speed,a larger minimum width of the nanotrack is also required.In other words,the speed and the area of the device is a trade o ff.

除了電流外,斯格明子還可以被溫度梯度[131,132],磁場(chǎng)梯度[133],自旋波[134?136],電場(chǎng)等[104]方法驅(qū)動(dòng).理論研究已經(jīng)證明自旋波能夠有效地驅(qū)動(dòng)斯格明子.通過在納米線的一端施加振蕩的磁場(chǎng),可以在納米線中激發(fā)出沿納米線傳播的自旋波.斯格明子將會(huì)隨著自旋波而發(fā)生輸運(yùn),如圖9(a)所示[101,134].該方法在理論上由于沒有電流所產(chǎn)生的熱損耗將具有更低的能耗.但是,由于產(chǎn)生自旋波需要外界磁場(chǎng),在真正的器件設(shè)計(jì)中不如電流驅(qū)動(dòng)實(shí)用.類似的還有利用應(yīng)力控制的斯格明子[137],通過應(yīng)力能夠改變材料結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)的磁學(xué)參數(shù),從而達(dá)到控制斯格明子的產(chǎn)生及輸運(yùn).

近期還出現(xiàn)了一種新型的利用交替變化的電壓控制磁各向異性驅(qū)動(dòng)斯格明子的方法.斯格明子在具有梯度勢(shì)能的納米線中會(huì)向低勢(shì)能區(qū)域移動(dòng).這種移動(dòng)方式具有高效且無側(cè)向位移的優(yōu)勢(shì).通過電壓控制的垂直磁各向異性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)能夠人為地改變納米線局部區(qū)域的勢(shì)能分布.利用這一特性可以使得斯格明子始終處于一個(gè)梯度勢(shì)能中,從而利用電壓使得斯格明子產(chǎn)生輸運(yùn)[138].其具體的器件設(shè)計(jì)猶如磁懸浮列車軌道,前后電極交替變化,如圖9(b)所示.相對(duì)于之前所介紹的電流驅(qū)動(dòng)方法,這一全新的驅(qū)動(dòng)模式已經(jīng)被理論證明可以在大幅度降低功耗(約3個(gè)數(shù)量級(jí))的同時(shí)實(shí)現(xiàn)斯格明子的高速移動(dòng)(259 m/s)[139].

圖9 (a)利用微波天線可以在鐵磁納米線一端產(chǎn)生沿納米線傳播的自旋波,從而驅(qū)動(dòng)斯格明子運(yùn)動(dòng);(b)通過相鄰的多個(gè)VCMA門可以在納米線中產(chǎn)生隨斯格明子位置連續(xù)變化的能量梯度,驅(qū)動(dòng)斯格明子前進(jìn)[138]Fig.9.(a)Skyrmions can be driven by spin waves generated by a microwave antenna in one terminal of the track;(b)controlling the anisotropy gradient by multiplexed gate architecture to drive skyrmions effectively[138].

盡管上述非電流驅(qū)動(dòng)的方法在理論上具有更低的能耗,但是目前的研究仍然處于理論階段,亟待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.因此,目前斯格明子電子學(xué)中主流的驅(qū)動(dòng)方法仍然是電流驅(qū)動(dòng).

5.3 斯格明子的檢測(cè)

斯格明子可以通過拓?fù)浠魻栃?yīng)(topological Hall effect,THE)[25,140,141]或者磁阻效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)(magnetoresistance)[90,142?148].2009年,Neubauer等[25]通過THE檢測(cè)的方法測(cè)量了MnSi中的A相(即后來的斯格明子相),證明其包含一種拓?fù)淞炕呢惾鹣?但是這種方法難以用于電子器件中.因此,在電子器件設(shè)計(jì)中一般采取磁阻的方法檢測(cè)斯格明子.人們最先想到的是利用斯格明子導(dǎo)致的霍爾電阻的變化.在一諸如納米線的受限結(jié)構(gòu)中,納米線兩端導(dǎo)線的霍爾電阻值與納米線中磁矩分布密切相關(guān).當(dāng)斯格明子通過時(shí),由于磁矩的改變,納米線兩端霍爾棒(Hall bar)所測(cè)到的霍爾電阻將隨之變化.通過觀察霍爾電阻的變化,即可以探測(cè)到斯格明子的存在[143],如圖10(a)所示.另外一種方法是利用MTJ中的隧穿磁阻變化.由于MTJ的隧穿磁阻取決于自由層中的磁矩方向,當(dāng)斯格明子運(yùn)動(dòng)到由MTJ構(gòu)成的讀取頭下方時(shí),磁矩方向的改變會(huì)導(dǎo)致與自旋有關(guān)的電子態(tài)發(fā)生改變,從而使得MTJ隧穿磁阻發(fā)生變化.通過讀取該阻值的變化即可判斷出讀取頭區(qū)域是否存在斯格明子,如圖10(b)所示.理論上來說,該方法可以取得高達(dá)20%的磁阻變化范圍[142].利用這一原理,僅僅依靠簡單的垂直磁性器件實(shí)現(xiàn)全電學(xué)的斯格明子探測(cè)將成為可能.

除了隧穿磁阻效應(yīng)外,另一種可以用來探測(cè)斯格明子的磁阻效應(yīng)被稱為各向異性磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR).這一效應(yīng)源自于由自旋軌道耦合引起的材料內(nèi)稟屬性,但是其能夠?qū)崿F(xiàn)的阻值變化相對(duì)較小,難以應(yīng)用于斯格明子電子器件中[148,149].近年來,又出現(xiàn)了一種全新的通過電學(xué)手段實(shí)現(xiàn)斯格明子探測(cè)的方法,即非共線型磁阻(non-collinear magnetoresistance,NCMR),如圖10(c)所示.由于斯格明子的磁矩在空間具有連續(xù)變化,因此斯格明子的不同部位具有不同的隧穿磁阻,并引發(fā)一種激烈的電流.從結(jié)果上看,斯格明子在電學(xué)上與鐵磁背景發(fā)生了明顯的區(qū)別.實(shí)驗(yàn)中,Hanneken團(tuán)隊(duì)[145]運(yùn)用這一原理通過STM成功地探測(cè)了Pd Fe/Ir(111)中的單個(gè)斯格明子.

圖10 斯格明子可以通過(a)霍爾棒或(b)垂直異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè);(c)對(duì)于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的探測(cè)方法主要可以通過GMR/TMR,AMR及NCMR三種效應(yīng)實(shí)現(xiàn)Fig.10.Sky rm ions can be detected by(a)Hall bar and(b)perpendicular hetero junction;(c)three effects:the GMR/TMR,AM R,and NCMR can be used in the detection of skyrmions by hetero junction.

5.4 斯格明子的調(diào)控

斯格明子無論是作為存儲(chǔ)器件還是邏輯器件中的信息載體,對(duì)其有效的操作方法都是必不可少的,即可通過電學(xué)的方法控制斯格明子的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度.理論研究表明,通過人為地控制器件中的能量分布可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斯格明子的控制.例如通過在納米賽道中加入溫度梯度,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斯格明子霍爾角的有效調(diào)控[150].通過電壓控制的磁各向異性(voltage-controlled magnetic anisotropy,VCMA)效應(yīng),提高或者降低器件某一區(qū)塊的磁各向異性能,從而實(shí)現(xiàn)斯格明子的釘扎或者通過.這一想法已經(jīng)在理論上獲得了驗(yàn)證[100,151],如圖11(a)所示.DE代表電極層,FM代表鐵磁層,HM代表重金屬層,在VCMA門電極上施加正偏置電壓,形成一個(gè)能量勢(shì)壘,將能夠有效地釘扎斯格明子.根據(jù)這一結(jié)論,可以設(shè)計(jì)出諸如斯格明子晶體管、賽道存儲(chǔ)器等多種相關(guān)器件,將在下文器件介紹部分進(jìn)行詳細(xì)闡述.Wang團(tuán)隊(duì)[129]更進(jìn)一步地將VCMA門設(shè)計(jì)為不規(guī)則形狀,研究了電壓控制的斯格明子在人工設(shè)計(jì)路徑上的輸運(yùn),為斯格明子器件的進(jìn)一步設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ),其設(shè)計(jì)如圖11(b)所示.通過VCMA提高不規(guī)則區(qū)域的磁各向異性,形成一個(gè)人工控制的不規(guī)則低能量軌跡.在電流驅(qū)動(dòng)下,斯格明子將沿著該可控軌跡運(yùn)動(dòng).

圖11 (a)通過電壓控制的磁各向異性釘扎斯格明子;(b)通過VCMA控制形成一不規(guī)則低能量路徑,在電流驅(qū)動(dòng)下,斯格明子將沿這一路徑運(yùn)動(dòng)Fig.11.(a)Depinning of skyrmions by voltage controlled magnetic anisotropy;(b)skyrmions can be constricted in a curved path by the control of VCM A.

6 斯格明子電子器件概念及詳細(xì)介紹

隨著對(duì)斯格明子性質(zhì)的深入研究,將斯格明子作為信息載體展現(xiàn)出了十分明顯的優(yōu)勢(shì),包括高存儲(chǔ)密度(尺寸小)、高靈敏度(驅(qū)動(dòng)電流閾值小)、高可靠性(結(jié)構(gòu)穩(wěn)定).因而,基于斯格明子的一系列信息器件設(shè)計(jì)被相繼提出.其應(yīng)用方向主要分為存儲(chǔ)、邏輯以及類腦等3個(gè)方面,如圖12所示.接下來我們將舉例介紹相關(guān)的斯格明子器件設(shè)計(jì).

圖12 斯格明子電子學(xué)器件的主要應(yīng)用方向有3個(gè)方面:1)存儲(chǔ)器件;2)邏輯器件;3)類腦器件Fig.12.Sky rm ionic devices can be applied in three aspects:1)Storage devices;2)logic devices;3)neuromorphic devices.

6.1 斯格明子存儲(chǔ)器件

斯格明子存儲(chǔ)器主要分為基于MTJ的單結(jié)多值存儲(chǔ)以及基于賽道的立體存儲(chǔ)設(shè)計(jì).研究發(fā)現(xiàn),在空間受限的磁體結(jié)構(gòu)中,能夠可控地產(chǎn)生或者湮沒一到數(shù)個(gè)斯格明子.2015年,田明亮團(tuán)隊(duì)及其合作者[90]通過改變外加磁場(chǎng)測(cè)量到了MnSi納米線中由于斯格明子產(chǎn)生及湮沒所導(dǎo)致的磁電阻跳變.我們將這一現(xiàn)象推廣到MTJ中,仿真證明了利用電流所產(chǎn)生的STT在MTJ釘扎層漏磁場(chǎng)的輔助下可以可控地在其自由層中產(chǎn)生或是湮沒斯格明子,從而獲得一個(gè)多值的磁阻變化[152].該設(shè)計(jì)可以作為一種單結(jié)的多值存儲(chǔ)單元,實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ),同時(shí)將可能應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò).

另一方面,基于DW的賽道存儲(chǔ)器(racetrack memory,RM)設(shè)計(jì)早在2008年就被Parkin等[153]所提出.在DW-RM中,一系列被DW所分隔的向上或是向下的磁疇(magnetic domain)代表了二進(jìn)制信息中的“0”或是“1”.在電流的驅(qū)動(dòng)下,DW可以在納米線中發(fā)生輸運(yùn),從而傳遞磁疇中所存儲(chǔ)的信息.因此,賽道存儲(chǔ)器被認(rèn)為有希望取代硬盤作為大規(guī)模存儲(chǔ)應(yīng)用.但是同時(shí),利用DW作為賽道存儲(chǔ)器信息載體存在一些潛在的問題,例如,所需的驅(qū)動(dòng)電流閾值過大,易受到材料缺陷的影響被釘扎等.這些缺陷極大地限制了DW-RM的發(fā)展,使其至今只能停留在理論層面.斯格明子的出現(xiàn)正好彌補(bǔ)了利用DW設(shè)計(jì)賽道存儲(chǔ)器的不足,將有希望成為新的賽道存儲(chǔ)器信息載體.

首先,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于斯格明子的賽道存儲(chǔ)器[154].在這一設(shè)計(jì)中,二進(jìn)制信息“0”或是“1”被編碼為具有不同間隔距離的一長鏈的斯格明子.由于斯格明子相較于DW-RM中的磁疇具有小得多的尺寸,在相同器件面積下,斯格明子將能夠具有更高的信息存儲(chǔ)密度.更進(jìn)一步,斯格明子相較于DW的驅(qū)動(dòng)電流閾值小5—6個(gè)數(shù)量級(jí),具有更好的控制靈敏度,同時(shí)也降低了器件的運(yùn)行功耗.除此之外,斯格明子所具備的拓?fù)浔Ｗo(hù)屬性使得編碼于斯格明子序列中的信息更加魯棒.在器件存在缺陷的情況下,斯格明子仍然能夠克服缺陷傳遞信息,而不會(huì)像DW一樣發(fā)生釘扎或是破裂而丟失信息.

典型的斯格明子賽道存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)如圖13所示,其主要由寫入頭、納米賽道、讀取頭三個(gè)部分組成.寫入頭可以產(chǎn)生斯格明子:如事先定義一個(gè)斯格明子代表信息“1”,沒有斯格明子則代表信息“0”,根據(jù)所需寫入的數(shù)據(jù)“1”或者“0”,寫入頭可以產(chǎn)生或者不產(chǎn)生斯格明子.每一個(gè)時(shí)鐘周期,納米賽道中均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定大小和持續(xù)時(shí)間的“時(shí)鐘”驅(qū)動(dòng)脈沖,在這一脈沖驅(qū)動(dòng)電流作用下,已經(jīng)被寫入的斯格明子會(huì)沿著納米賽道依次傳遞,從而形成一個(gè)包含有效信息的斯格明子序列.這一序列在經(jīng)過讀取頭時(shí),讀取頭將利用前面所述的探測(cè)方法探測(cè)當(dāng)前比特位是否存在斯格明子,從而將儲(chǔ)存于斯格明子序列中的有效信息提取出來.目前這一概念在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)得到一些初步的驗(yàn)證[155].由于斯格明子的產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)、探測(cè)方法均已經(jīng)在前面討論,不再贅述.斯格明子賽道存儲(chǔ)器將這三部分結(jié)合在一起,從而形成一個(gè)完整的信息儲(chǔ)存器件,是斯格明子電子學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)應(yīng)用之一.

圖13 將斯格明子作為信息載體的賽道存儲(chǔ)器示意圖,其主要組成部分為寫入頭、納米賽道以及讀取頭Fig.13.Schematic diagram of the nanotrack devices using skyrmions as in formation carriers.This device has three main components:the writing head,the nanotrack,and the reading head.

在斯格明子賽道存儲(chǔ)器的實(shí)際設(shè)計(jì)中,還需要考慮一些具體的問題.我們考慮的第一個(gè)問題是在作為一個(gè)序列傳遞的過程中數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)位.由于斯格明子的運(yùn)動(dòng)和DW運(yùn)動(dòng)類似,在實(shí)際過程中其運(yùn)動(dòng)快慢受到外部諸如溫度、非均勻的材料晶粒等影響可能會(huì)偏離實(shí)際預(yù)期,從而發(fā)生數(shù)據(jù)的錯(cuò)位.為了解決這一問題,我們需要斯格明子序列中的所有斯格明子在每一次受電流驅(qū)動(dòng)時(shí)所運(yùn)動(dòng)的距離保持一致.考慮到斯格明子會(huì)被高能量勢(shì)壘釘扎,利用電壓控制的VCMA可以人為地產(chǎn)生可控的磁各向異性能量勢(shì)壘,實(shí)現(xiàn)對(duì)納米賽道中斯格明子的釘扎/通過控制,即形成一個(gè)可開關(guān)的門(gate).將每一個(gè)比特位用這樣的VCMA門分隔,如圖14所示.只有當(dāng)需要斯格明子通過的時(shí)候打開,當(dāng)需要寫入或者讀取斯格明子的時(shí)候則關(guān)閉門[100].這樣的設(shè)計(jì)使得整個(gè)斯格明子序列按照比特位步進(jìn)式地傳遞,避免了斯格明子因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)過快或者過慢導(dǎo)致的錯(cuò)位.

圖14 VCM A控制的斯格明子賽道存儲(chǔ)器 (a)橫截面及(b)頂層示意圖Fig.14. The schematic diagram of the VCMA skyrmionic racetrack memory.

另一個(gè)問題來自斯格明子讀取中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤.在DW-RM中,磁疇的方向決定了存儲(chǔ)的信息,非“0”即“1”.但是在斯格明子賽道存儲(chǔ)器中,有斯格明子代表“1”,鐵磁背景代表“0”.如果讀取端在讀取斯格明子時(shí)并未恰好檢測(cè)到斯格明子則會(huì)導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤.此外,在信息同步中連續(xù)的“0”有可能使得數(shù)據(jù)發(fā)生失鎖的現(xiàn)象.為了克服這些問題,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種采取差分方式編碼數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)[156],如圖15(a)所示.在這一設(shè)計(jì)中,我們采用首端相連通的兩條平行的納米賽道L和R表示同一組數(shù)據(jù).這兩個(gè)納米賽道首端均有一個(gè)可控的VCMA門,可以將斯格明子阻斷在賽道外或是允許其進(jìn)入.在每一個(gè)時(shí)鐘周期寫入端均產(chǎn)生一個(gè)斯格明子.根據(jù)所需寫入數(shù)據(jù)的不同,選擇打開或者關(guān)閉相應(yīng)的賽道.例如,定義數(shù)據(jù)“1”為R賽道中的斯格明子,而“0”為L賽道中的斯格明子.當(dāng)需要寫入“1”時(shí),打開R賽道,同時(shí)關(guān)閉L賽道,則斯格明子將進(jìn)入R賽道形成一個(gè)數(shù)據(jù)“1”,如圖15(b)所示.讀取時(shí),需要對(duì)比R和L賽道中的磁矩狀態(tài),進(jìn)行差分.假設(shè)某一賽道中斯格明子序列發(fā)生了偏移,則會(huì)在讀取時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)賽道同時(shí)有或是沒有斯格明子的情況,系統(tǒng)可以立即發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行糾正.因此,這一設(shè)計(jì)可以極大地增強(qiáng)賽道中數(shù)據(jù)的魯棒性,減小差錯(cuò)率.同時(shí),由于始終能夠在某一個(gè)賽道中探測(cè)到斯格明子,即使是連續(xù)的“0”或者“1”數(shù)據(jù)也不會(huì)導(dǎo)致失鎖現(xiàn)象的發(fā)生.最后,由于讀取數(shù)據(jù)采取了差分的方法,相對(duì)于讀取單個(gè)賽道中斯格明子其電阻變化范圍更大,提高了讀取的靈敏度和可靠性.當(dāng)然,這一設(shè)計(jì)也存在諸如信息密度降低等問題,是利用器件所占芯片面積換取數(shù)據(jù)可靠性的一種取舍.

圖15 采用差分編碼的斯格明子賽道存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)(a)示意圖及(b)工作方式示意圖Fig.15.Schematic of the complementary skyrmion racetrack memory.

6.2 斯格明子邏輯器件

2015年,一種基本的邏輯器件——晶體管,被理論證明可以利用斯格明子實(shí)現(xiàn)[151].其具體的器件設(shè)計(jì)如圖16(a)所示.一個(gè)VCMA門被置于器件的源極和漏極之間作為斯格明子晶體管的控制門.源極由一個(gè)置于納米線上的MTJ組成,能夠在垂直極化電流的激發(fā)下產(chǎn)生斯格明子.斯格明子在源極產(chǎn)生后會(huì)受到納米線中電流或者自旋波的驅(qū)動(dòng)向漏極運(yùn)動(dòng).VCMA門所在區(qū)域的PMA會(huì)受到局部電場(chǎng)E的調(diào)控,其大小可以用(18)式表示[157,158]:

其中Kuv與Ku分別表示經(jīng)過VCMA門調(diào)節(jié)之后與之前的PMA常數(shù),?Kuv為與VCMA強(qiáng)度相關(guān)的一常量.這一線性表達(dá)式已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中被Shiota團(tuán)隊(duì)[159]所證實(shí).

由于PMA的改變,該區(qū)域內(nèi)總能量會(huì)隨之變化,從而形成一個(gè)能量勢(shì)壘,阻擋斯格明子繼續(xù)向漏極運(yùn)動(dòng).斯格明子的能量可以表述為[151]

其中D為DMI系數(shù),K為PMA常量,A為交換相互作用常數(shù),B為磁場(chǎng)強(qiáng)度.由(19)式可知,當(dāng)PMA增加時(shí),斯格明子的能量隨之增大,反之,斯格明子的能量隨PMA減小而減小.如圖16(b)和圖16(d)所示,假設(shè)通過VCMA門的調(diào)節(jié),門區(qū)的PMA增大(Kuv=1.05Ku),則對(duì)于斯格明子來說會(huì)形成一個(gè)能量勢(shì)壘,斯格明子會(huì)被釘扎在勢(shì)壘的外側(cè);而當(dāng)VCMA門使得區(qū)域PMA減小時(shí)(Kuv=0.95Ku),如圖16(c)和圖16(e)所示,則會(huì)相應(yīng)地形成一個(gè)斯格明子的勢(shì)井,斯格明子在通過這一勢(shì)井時(shí)會(huì)陷入其中,被釘扎于勢(shì)井內(nèi)側(cè).另外,斯格明子是否會(huì)被釘扎在VCMA門控制區(qū)域還取決于驅(qū)動(dòng)斯格明子的電流密度.因此,對(duì)于斯格明子晶體管來說,存在兩種控制方法.一種方法是在源極與漏極之間通過恒定的電流,使得斯格明子始終受到指向漏極的驅(qū)動(dòng)力,如圖16(b)和圖16(c)所示.通過控制VCMA門的開關(guān),可以選擇將斯格明子釘扎在源極,或者使其到達(dá)漏極,實(shí)現(xiàn)晶體管的開關(guān)功能.另一種方法則是保持VCMA門區(qū)域的PMA不變,形成一個(gè)固定的勢(shì)壘或者勢(shì)井.在一個(gè)較小的電流的驅(qū)動(dòng)下,斯格明子會(huì)被釘扎在這一勢(shì)壘或勢(shì)井中.需要斯格明子通過時(shí),加大電流密度,使其跨越勢(shì)壘(井),到達(dá)漏極,如圖16(d)和圖16(e)所示.

另一方面,周艷團(tuán)隊(duì)利用斯格明子可以和DW相互轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)[105],提出了一種利用斯格明子實(shí)現(xiàn)邏輯門的設(shè)計(jì)[43].如圖17所示,通過控制納米線的寬度,即可實(shí)現(xiàn)邏輯中常見的OR或者AND門.在較窄的納米線中,無論輸入端是一個(gè)斯格明子或者同時(shí)都有一個(gè)斯格明子,在納米線中均會(huì)轉(zhuǎn)化為完整的DW,進(jìn)而進(jìn)一步得到一個(gè)完整的斯格明子,實(shí)現(xiàn)邏輯上的OR.在較寬的納米線中,只有當(dāng)兩個(gè)輸入端同時(shí)輸入一個(gè)斯格明子時(shí)才能產(chǎn)生一個(gè)完整的DW,在輸出端得到一個(gè)斯格明子;如果只有一端有斯格明子,其轉(zhuǎn)化為的DW將不足以占據(jù)整個(gè)納米線,從而形成一個(gè)會(huì)湮沒于納米線中的不完整DW,由此實(shí)現(xiàn)邏輯上的AND.

圖16 (a)斯格明子晶體管示意圖;(b)—(e)利用改變驅(qū)動(dòng)電流或者VCMA門電壓控制斯格明子的運(yùn)動(dòng)Fig.16.(a)Schematic diagram of the skyrmion transistor;(b)–(e)manipulation of skyrmion motion by control of the driven current and VCM A gate.

圖17 基于斯格明子與磁疇壁轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的邏輯“或門”(左)及“與門”(右)[43]Fig.17.“OR”and “AND”gate based on the conversion between skyrmions and domain wall pairs[43].

6.3 斯格明子類腦器件

相較于傳統(tǒng)的利用磁疇(例如硬盤)或是電荷(例如閃存)作為信息載體的器件,斯格明子信息具有其獨(dú)特的特點(diǎn).首先,斯格明子是一種可編碼的類粒子結(jié)構(gòu),復(fù)數(shù)的斯格明子可以自然地聚集在一起形成多進(jìn)制的信息,并且通過斯格明子個(gè)數(shù)不同所導(dǎo)致的磁化分布不同進(jìn)行區(qū)分.其次,由于斯格明子受電流驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)完全可控,使得該多進(jìn)制信息與驅(qū)動(dòng)電流緊密相關(guān).最后,斯格明子由于其粒子特性,當(dāng)多個(gè)斯格明子聚集在一起時(shí)每一個(gè)斯格明子的位置具有一定的隨機(jī)特性.上述“多值”,“可控”以及一定的“隨機(jī)性”特點(diǎn)使得斯格明子更加適合于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)應(yīng)用.

根據(jù)以上特性,我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于斯格明子的神經(jīng)突觸[45],如圖18(a)所示.該設(shè)計(jì)的基本組成部分為突觸前級(jí)和突觸后級(jí),兩者均處于同一納米線鐵磁層薄膜,被中間具有高PMA的能量勢(shì)壘所隔離.在突觸前級(jí)中,利用DW轉(zhuǎn)化等手段使得突觸前級(jí)斯格明子數(shù)量達(dá)到飽和.由于納米線中心能量勢(shì)壘的阻擋,所有的斯格明子都被限制在突觸前端,形成該突觸的初始狀態(tài).當(dāng)正/負(fù)向的外部的激勵(lì)(電流)到達(dá)時(shí),斯格明子受到電流的驅(qū)動(dòng)跨越能量勢(shì)壘到達(dá)/離開突觸后級(jí),其到達(dá)/離開的斯格明子個(gè)數(shù)完全取決于器件所受激勵(lì)的大小和時(shí)間長短.突觸后端的整個(gè)區(qū)域被作為讀取區(qū),利用MTJ或其他磁性探測(cè)器可以探知該區(qū)域的磁矩變化,并以磁阻的形式反映出來.定義該磁矩為整個(gè)突觸器件的權(quán)重,從上述工作過程可知,外部激勵(lì)在通過斯格明子突觸后會(huì)改變斯格明子在突觸后級(jí)分布的數(shù)量,從而改變器件權(quán)重的大小,即實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)突觸的可塑性(plasticity)功能.

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),這一器件設(shè)計(jì)還同時(shí)滿足了神經(jīng)突觸中的短時(shí)程突觸可塑性(short-term plasticity,STP)以及長時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation,LTP)功能,如圖18(b)—(e)所示.假定器件中所有激勵(lì)電流具有相同的大小,如圖18(b)所示,在情況1中,激勵(lì)具有1.5 ns的持續(xù)時(shí)間和5 ns的間隔,此時(shí),斯格明子有足夠的時(shí)間在激勵(lì)消失前越過勢(shì)壘,形成LTP;保持激勵(lì)的頻率,減小持續(xù)時(shí)間到1 ns(情況3),這一情況下,斯格明子無法有效地翻越勢(shì)壘,當(dāng)激勵(lì)消失后器件完全返回到激勵(lì)到達(dá)前的狀態(tài),形成STP,如圖18(d)所示;保持1 ns的激勵(lì)持續(xù)時(shí)間,將激勵(lì)的頻率提高為間隔2 ns,如圖18(c)情況2所示,此時(shí)雖然單個(gè)的激勵(lì)無法使斯格明子越過勢(shì)壘,但由于間隔較短,下一個(gè)激勵(lì)在斯格明子完全返回初始狀態(tài)前到達(dá),在跨越勢(shì)壘的能量上形成了積累.斯格明子在多個(gè)激勵(lì)作用下最終跨過勢(shì)壘,改變了器件權(quán)重,形成LTP.由此可見,激勵(lì)的持續(xù)時(shí)間和頻率決定了器件發(fā)生STP或是LTP,與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中突觸的設(shè)計(jì)相符.這一器件設(shè)計(jì)是第一次將斯格明子運(yùn)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)器件,為后續(xù)的相關(guān)應(yīng)用打下基礎(chǔ).

圖18 (a)斯格明子神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)示意圖,該器件首次利用斯格明子的可聚集特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了人工神經(jīng)突觸的(d)STP及(b),(c)LTP功能Fig.18.(a)Schematic diagram of a skyrmionic synapse.This device is designed based on the(d)short-term plasticity(STP)and(b),(c)long-term potentiation(LTP).

繼斯格明子神經(jīng)突觸之后,我們又提出了基于斯格明子的神經(jīng)元設(shè)計(jì),如圖19(a)所示[46].該設(shè)計(jì)利用了斯格明子在梯度PMA分布的納米線上會(huì)自發(fā)地向低能量端運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),模仿神經(jīng)元中的漏-收集-激發(fā)(leaky-integrate- fir,LIF)模型.該模型的具體描述可以理解為神經(jīng)元所同時(shí)具有的三種功能,如圖19(c)所示:能夠隨時(shí)間恢復(fù)原始狀態(tài)(漏),能夠收集前端神經(jīng)元所發(fā)出的激發(fā)信號(hào)(收集),以及可以在收集信號(hào)達(dá)到閾值的時(shí)候產(chǎn)生一個(gè)激發(fā)信號(hào)(激發(fā)).

整個(gè)器件的鐵磁層被設(shè)計(jì)為具有梯度變化的PMA.在PMA較低的一端(寫入端)有斯格明子的產(chǎn)生單元,在PMA較高的一端(讀取端)為斯格明子的探測(cè)單元.斯格明子由產(chǎn)生單元生成后由于受到納米線上梯度能量分布的影響,會(huì)趨向于保持在能量較低的寫入端.當(dāng)由前級(jí)神經(jīng)元產(chǎn)生的激發(fā)信號(hào)傳入當(dāng)前神經(jīng)元時(shí),斯格明子會(huì)受到電流的驅(qū)動(dòng)向具有較高能量的讀取端運(yùn)動(dòng).在我們的設(shè)計(jì)中,單個(gè)的激勵(lì)信號(hào)并不能使斯格明子到達(dá)讀取端,斯格明子將會(huì)停在某一中間位置.梯度能量分布使得斯格明子將自然地向低能量的寫入端回落,即形成了LIF模型中的“漏”.假如在斯格明子完全回到初始位置之前,神經(jīng)元接收到了另一激發(fā)信號(hào),則斯格明子將再一次向讀取端運(yùn)動(dòng),其達(dá)到的位置不僅僅反映了當(dāng)前的信號(hào),還積累了部分之前信號(hào)的貢獻(xiàn),即LIF模型中的“收集”功能.最后,當(dāng)積累的信號(hào)達(dá)到某一閾值,斯格明子將到達(dá)讀取端,并通過探測(cè)單元向后端輸出一激發(fā)信號(hào),完成LIF模型中的“激發(fā)”.這一設(shè)計(jì)巧妙地利用了斯格明子的物理特性,將原本復(fù)雜的電路功能在一個(gè)簡單的器件中實(shí)現(xiàn),證明了斯格明子在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值.

采取類似的思路,將納米線寬度設(shè)計(jì)為線性變化,利用納米線兩端線性變化的排斥力代替由梯度PMA導(dǎo)致的線性排斥作用,實(shí)現(xiàn)同樣的LIF功能[47,128].相對(duì)于實(shí)現(xiàn)梯度PMA,在實(shí)驗(yàn)和器件制備中改變納米線寬度更加具有可操作性.我們由此設(shè)計(jì)了一種基于該原理的新型人工神經(jīng)元器件[47],如圖19(b)所示.為了抵消斯格明子霍爾效應(yīng),該器件被設(shè)計(jì)為雙層鐵磁層耦合結(jié)構(gòu)[130].當(dāng)受到電流作用產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)時(shí),斯格明子所受到的納米線邊界的作用力會(huì)隨著其位置的變化而逐漸增加,從而產(chǎn)生符合LIF模型的運(yùn)動(dòng)模式,如圖19(d)所示.

圖19 (a)基于PM A變化及(b)納米線寬度變化設(shè)計(jì)的斯格明子神經(jīng)元器件示意圖;(c)斯格明子神經(jīng)元所實(shí)現(xiàn)的LIF功能信號(hào)與生物神經(jīng)元信號(hào)對(duì)比;(d)不同激發(fā)信號(hào)下斯格明子在寬度變化納米線中的位置變化Fig.19.Schematic diagram of skyrmionic neuron based on controlling(a)PMA and(b)the width of nanotracks;(c)comparison of LIF signals from skyrmionic neurons to biological neurons;(d)the position change of a skyrmion in the wedged width nanotrack under different input current pulses.

7 斯格明子電子學(xué)未來的發(fā)展

7.1 當(dāng)前斯格明子電子學(xué)所面臨的問題和挑戰(zhàn)

斯格明子憑借其特殊的拓?fù)湫再|(zhì)以及所對(duì)應(yīng)的尺寸小、易驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是未來自旋電子器件中的理想信息載體.自2009年首次在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)以來,關(guān)于斯格明子性質(zhì)及其應(yīng)用的研究便成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn).但是在其實(shí)際應(yīng)用的過程中仍然存在一些亟待解決的科學(xué)及技術(shù)問題.

1)斯格明子器件的微納電子器件集成

如前所述,至今斯格明子作為信息載體所需要的寫入、操作及讀取等功能都已經(jīng)獨(dú)立地在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí).但是,這些實(shí)驗(yàn)有的需要在低溫下進(jìn)行,例如Wiesendanger團(tuán)隊(duì)[103,145]利用STM觀測(cè)斯格明子并對(duì)其進(jìn)行讀寫的實(shí)驗(yàn),有的則是研究斯格明子陣列[160,161].近年來,室溫下的斯格明子在多種材料結(jié)構(gòu)中被發(fā)現(xiàn)[33,36,83],但是仍然依賴于LTEM,MFM等外部實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行成核及探測(cè).未來的一大挑戰(zhàn)將是把單個(gè)斯格明子的產(chǎn)生、輸運(yùn)及探測(cè)利用電學(xué)的方法在室溫下實(shí)現(xiàn),并集成到同一個(gè)微納電子器件中.

2)可實(shí)際應(yīng)用的材料/結(jié)構(gòu)體系

當(dāng)前研究最廣泛的斯格明子材料體系,無論是斯格明子陣列還是單個(gè)的斯格明子,都局限于具有中心反演對(duì)稱性破缺的B20型體材料或是具有手性的鐵磁薄膜,例如MnSi等[24,26],FeCoSi[28,42],Cu2OSeO3[162]DM相互作用來自于材料體效應(yīng)的體系,或是Pt/Co等[34],Ta/CoFeB[36],Fe/Ir[27,103]由于多層薄膜不同層之間非對(duì)稱產(chǎn)生的界面DM相互作用體系.其中只有一少部分是能夠在室溫下穩(wěn)定獲得斯格明子的體系,并且尚面臨產(chǎn)生的斯格明子尺寸過大或是難以被驅(qū)動(dòng)的問題.另一方面,斯格明子雖然在理論上能夠克服材料中的缺陷進(jìn)行輸運(yùn),但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料缺陷對(duì)斯格明子實(shí)際上具有明顯的釘扎作用[34].因此,適用于斯格明子器件的材料體系在滿足室溫穩(wěn)定存在斯格明子的同時(shí),還應(yīng)具備較高的薄膜質(zhì)量.近期研究表明,非晶鐵磁薄膜或許將能夠解決薄膜質(zhì)量問題,例如非晶的Ta/CoFeB/MgO被發(fā)現(xiàn)優(yōu)于具有晶體結(jié)構(gòu)的Pt/Co/Ta結(jié)構(gòu)[163,164].在斯格明子輸運(yùn)方面,當(dāng)前斯格明子器件的設(shè)計(jì)多依賴于電流驅(qū)動(dòng)的斯格明子輸運(yùn).為了降低驅(qū)動(dòng)電流密度,需要材料具有更大的自旋霍爾角.改變材料的自旋霍爾角往往會(huì)附帶地改變其他諸如DM相互作用、垂直各向異性等參數(shù).綜合考慮這些參數(shù)也是對(duì)當(dāng)前材料體系的一大挑戰(zhàn).最后,考慮到相關(guān)器件的電流電壓控制仍然依賴于現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝及器件技術(shù),因而斯格明子電子學(xué)所采用的材料體系還需要考慮與之相兼容.

3)斯格明子的高效輸運(yùn)

斯格明子的輸運(yùn)相較于DW具有極低的閾值電流密度.但是,在信息傳輸?shù)认Ｍ@得較高輸運(yùn)速率的情況下,斯格明子的輸運(yùn)速率與DW相當(dāng).前文所介紹的采用變化電壓驅(qū)動(dòng)斯格明子的方法可以在極低功耗下獲得高速的輸運(yùn)[139],但仍然亟待實(shí)驗(yàn)的論證.此外,由于斯格明子霍爾效應(yīng)的存在,斯格明子在受限納米線中運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生一個(gè)垂直于納米線的偏移[31,122].這不僅在一定程度上降低了斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度,還限制了其所能取得的最大輸運(yùn)速率.如圖7(b)所示,在大電流密度下,納米線邊界將不足以提供足夠抵消斯格明子霍爾效應(yīng)的排斥力,進(jìn)而使得斯格明子發(fā)生湮沒.一種解決方案是利用反鐵磁耦合的雙層鐵磁薄膜代替原設(shè)計(jì)中的鐵磁層[165].由于上下兩層中所產(chǎn)生的馬格努斯力完全抵消,斯格明子運(yùn)動(dòng)過程中將不會(huì)產(chǎn)生霍爾偏移.另一種方案則是在納米賽道兩端添加防止斯格明子破壞的能量勢(shì)壘[166].上述方法在理論上均能取得較好效果,因此能夠從實(shí)驗(yàn)中檢驗(yàn)這些新方法將是未來的研究熱點(diǎn)之一.

7.2 斯格明子電子學(xué)未來的應(yīng)用前景

斯格明子有望將拓?fù)浔Ｗo(hù)這一全新特性帶入器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域,并帶來許多全新的能耗和性能上的突破,其應(yīng)用前景主要體現(xiàn)在下述三個(gè)方面.

1)提升自旋電子存儲(chǔ)器件的性能

斯格明子小尺寸的特點(diǎn)意味著在相同芯片尺寸的情況下可以存儲(chǔ)更多的信息.同時(shí),更低的啟動(dòng)電流密度和電壓控制的方法使得其信息操縱更加方便靈活,甚至可以實(shí)現(xiàn)aJ/bit量級(jí)的超低功耗[139].拓?fù)浔Ｗo(hù)的特點(diǎn)則決定了斯格明子可以作為穩(wěn)定信息比特長時(shí)間存儲(chǔ).由此,斯格明子將有望實(shí)現(xiàn)自旋電子器件中的信息存儲(chǔ)單元在可靠性、速度、存儲(chǔ)密度等方面的全面提升.

2)構(gòu)建新型結(jié)構(gòu)及功能自旋電子器件

斯格明子在各種外力作用下的運(yùn)動(dòng)模式都已經(jīng)被廣泛研究,包括自旋極化電流的影響[32]、納米線邊界的影響[64]、斯格明子之間的相互作用[123]、鐵磁材料能量分布的影響[129]等.利用上述研究成果,斯格明子的運(yùn)動(dòng)軌跡已經(jīng)可以在理論上被精確控制,從而設(shè)計(jì)出一些替換傳統(tǒng)器件中需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)的功能.例如,利用斯格明子運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)出具有高頻穩(wěn)定的信號(hào)發(fā)生器[167];傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)插入需要移動(dòng)整個(gè)數(shù)列中所有數(shù)據(jù),而斯格明子所代表的數(shù)據(jù)則可以利用一個(gè)邊路的納米線自然地實(shí)現(xiàn)[168];可編程的邏輯器件也可以利用控制斯格明子的位置來更有效地實(shí)現(xiàn)[44].

3)利用斯格明子的類粒子特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)仿生器件

斯格明子的另一特性是作為類粒子結(jié)構(gòu),復(fù)數(shù)的斯格明子可以自然聚集在一起表示一個(gè)多值的數(shù)據(jù).例如前文介紹的斯格明子神經(jīng)突觸[45]即是利用斯格明子個(gè)數(shù)的變化表達(dá)突觸權(quán)重.利用這一特點(diǎn),斯格明子作為信息載體將有效地突破二進(jìn)制馮·諾依曼體系的限制.在未來將有望實(shí)現(xiàn)多值、邏輯存儲(chǔ)相結(jié)合的新型器件突破.

8 總 結(jié)

本文回顧了斯格明子的發(fā)現(xiàn)過程及其拓?fù)涮匦?、器件?yīng)用等方面的研究現(xiàn)狀,探討了相關(guān)自旋電子器件的應(yīng)用前景,并對(duì)當(dāng)前所遇到的問題進(jìn)行了討論.著眼于將斯格明子應(yīng)用于電子器件及集成電路,即斯格明子電子學(xué),本文重點(diǎn)討論了斯格明子的電學(xué)寫入、控制及讀取功能;詳細(xì)介紹了斯格明子存儲(chǔ)、邏輯及類腦計(jì)算器件.在這些設(shè)計(jì)中,斯格明子作為信息載體使得一些原本復(fù)雜的操作被極大地簡化,無論是功耗還是性能都得到了相應(yīng)的提升,展現(xiàn)出其在后摩爾時(shí)代的應(yīng)用潛力.盡管如此,斯格明子電子器件離實(shí)際應(yīng)用尚存在一些亟待解決的基礎(chǔ)科學(xué)及技術(shù)問題,需要在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制方法及微納集成技術(shù)等方面開展進(jìn)一步深入的研究.