斯格明子電子學的研究進展?

趙巍勝 黃陽棋 張學瑩 康旺 雷娜 張有光

(北京航空航天大學費爾北京研究院,大數據科學與腦機智能高精尖創新中心,電子信息工程學院,北京 100191)

在過去的半個世紀中,微電子技術一直沿著著名的摩爾定律快速發展,當前已經達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,因量子效應所產生的漏電流及其所導致的熱效應使得這一定律遇到瓶頸.自旋電子技術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,突破熱效應枷鎖.斯格明子是一種具有拓撲保護的類粒子自旋結構,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域的廣泛關注.由于其特殊的拓撲性質,斯格明子具備尺寸小、結構穩定、驅動閾值電流小等諸多優點,室溫下斯格明子的成核、輸運及探測進一步驗證了其廣泛的應用潛力,由此誕生了研究相關器件及應用的斯格明子電子學.本綜述從電子學角度首先介紹斯格明子的基礎概念及發展現狀、理論及實驗研究方法,重點闡述斯格明子器件的寫入、調控及讀取功能,介紹了一系列具有代表性的新型信息器件;最后,結合斯格明子電子學現狀分析了目前所面臨的發展瓶頸以及未來的應用前景.

1 引 言

1965年,英特爾公司聯合創始人戈登·摩爾(Gordon E.Moore)預測基于微電子技術的集成電路晶體管數量及其所對應的運算性能將每18個月翻一倍,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家用電腦到當今隨處可見的精密計算機、智能手機,以及各式各樣智能硬件的迅猛發展.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一步提高,依靠多核集成的方法可以降低靜態功耗,但影響了工作性能.另一方面,分離的存儲介質與處理芯片之間的數據傳輸消耗了超過芯片一半的功耗.如何進一步降低計算系統功耗、突破芯片散熱瓶頸已經成為當前電子領域所面臨的核心問題.

1988年,法國科學家艾伯特·費爾(Albtert Fert)和德國科學家彼得·格林貝格(Peter Andreas Grünberg)共同發現了巨磁阻效應(giant magnetoresistance,GMR)[3],該效應很快被應用于計算機的硬盤磁頭,使其容量在1997年之后的十年間增長了1000倍,引發了數據存儲領域的產業革命,并開創了一門新興的學科——自旋電子學(Spintronics)[4].自旋電子器件具有靜態功耗低、可無限次高速讀寫、非易失性存儲等優點,被認為是突破當前瓶頸的關鍵技術,受到了廣泛關注.隨后,自旋電子學迅速地發展起來,并獲得了一系列重要研究成果.例如,隧穿磁電阻效應(tunnel magnetoresistance,TMR)[5?8]、自旋轉移矩(spin transfer torque,STT)[9,10],自旋軌道矩(spin orbit torque,SOT)等[11?14]效應的發現,使得實用的自旋電子器件成為可能.2006年,基于自旋電子技術的磁阻式隨機存儲器(magnetic random access memory,MRAM)開始商用,在航空航天等高可靠性領域發揮著重要作用[15].自2018年底,三星(Sam sung),臺積電(TSMC)、格羅方德(G lobal-Foundries)、聯華電子(UMC)等全球領先半導體企業都計劃量產STT-MRAM,這將推動自旋電子技術進一步的快速發展.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.

2 斯格明子的概念定義及發現過程

斯格明子(skyrmion)一詞源自英國核物理學家托尼·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理論,并進一步預言了一種具有拓撲保護性質的類粒子穩定場結構的存在,即斯格明子[16].這一結構在液晶[17],玻色-愛因斯坦凝聚[18],量子霍爾磁體等[19]不同領域中均有發現.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態,即本文所研究的磁性斯格明子(下文中均簡稱為“斯格明子”).它是一種在拓撲結構上非平庸的具有渦旋組態的手性自旋結構[21].相較于平庸的磁性結構,斯格明子在能量上具有拓撲不連續性,因而具有更高的穩定性.20世紀90年代,理論物理學家們又成功地預言了二維電子氣的量子霍爾態中存在斯格明子[19,22].但是一直到2006年,R??ler等[23]才第一次在理論上證實了自發穩定存在的斯格明子態廣泛地存在于具備空間反衍對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晶格結構的磁體,如FeGe,MnSi等.2009年,在磁性材料體系中第一次在實驗上觀測到斯格明子,即是在MnSi手性材料中[24?26].緊接著,Heinze團隊[27]于2011年在Fe/Ir磁性薄膜體系中觀測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撲自旋結構得到了廣泛的研究[28?30].2013年,Fert團隊[31,32]通過微磁學模擬建模的方法,系統研究了單個斯格明子在多層膜納米帶結構中的產生、穩定性以及電流驅動現象,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載體.之后,多個課題組在不同的材料和結構體系下發現了室溫[33?38]、甚至高于室溫條件下[39,40]穩定存在的斯格明子,進一步從實驗上證實了斯格明子相關器件的可行性;一些全新的材料體系中的斯格明子也不斷被發現[28,41,42].近年來,隨著對斯格明子的深入研究,從存儲[31]、邏輯[43,44]到新一代非馮·諾依曼體系計算架構[45?47]的相關的器件及應用場景被提出,由此產生了一門新型交叉分支學科——斯格明子電子學[48?50].

3 斯格明子的拓撲穩定性及Dzyaloshinskii-Moriya相互作用

在磁性材料中,斯格明子的產生源自多種物理機理及其之間的協同作用.其中主要包括以下四種機理: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爭,從而產生周期性的磁條帶,并在垂直方向外磁場的作用下,轉化為斯格明子陣列,由此所產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稱性缺失.由于交換相互作用傾向于使相鄰磁矩呈現平行或反平行排列,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背景中所具有的能量,使得其能夠穩定存在,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,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,滿足連續性近似條件,且相應的斯格明子能量密度遠小于原子間的交換能J,使得該型斯格明子能夠被相對容易地產生及消滅,并同時具有容易移動、不受晶格釘扎影響的特點.由于DM相互作用所產生的斯格明子相對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相互作用對應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.這一效應產生于一種三端的間接交換機理,即相鄰兩原子自旋與另一相鄰的具有強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J與DM相互作用系數D的比值J/D,在數納米到數微米之間[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.

斯格明子的拓撲屬性可以用斯格明子數(skyrmion number)進行描述,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撲單位圓上環繞的圈數[60].斯格明子所對應的斯格明子數恰好為±1,同時也存在其他整數的情況,例如斯格明子數為2的雙斯格明子.斯格明子數為整數的磁性結構不能連續變化為斯格明子數為0的鐵磁態或是其他結構,因而具有拓撲穩定的特性[31].由于其拓撲結構的特殊性質,斯格明子相關的許多獨特的拓撲現象已經引發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[61,62]、熱流與斯格明子的相互作用[63],電流驅動下斯格明子的相關運動及其控制等[64].

近年來,由斯格明子衍生出的一系列全新的拓撲相關自旋結構也引起了廣泛的關注.南京大學丁海峰團隊[65,66]預測了在無DM相互作用的磁性體系中利用層間耦合產生了人工斯格明子(artificial skyrmion),其優點是能夠在較大的溫度范圍內保持結構的穩定,該結構在之后被多個美國研究團隊實驗驗證.中國科學院物理研究所王文洪團隊[67]在M nNiGa中發現了雙斯格明子(biskyrmion),這一特殊結構在具有寬域溫度穩定性(100—340 K)的同時,可以更加容易地實現輸運.中科院強磁場科學中心的杜海峰團隊及其合作者在強邊界約束的手性磁納米盤中觀測到了靶斯格明子(target skyrmion),可以在無外場的情況下穩定存在[68].此外,Nagaosa團隊[69]利用仿真驗證了具有相反斯格明子數的拓撲渦旋結構反斯格明子(antiskyrmion).該結構在手性磁體中無法穩定,但是可以在偶極磁體中存在.其斯格明子數反號,具備許多新的拓撲性質.另一種新的結構——多環斯格明子(skyrmionium)具有斯格明子數為零的特點[70?72].由于其特殊的拓撲性質,該結構在自旋流作用下不會發生斯格明子霍爾效應,同時具有更高的移動速率,在動力學特性方面具有獨特的優勢.

4 斯格明子的主要研究方法

4.1 微磁仿真計算

為了研究斯格明子及其特殊的拓撲自旋結構在產生、電流驅動等方面的性質,Fert等[31,32]在2013年建立了首個斯格明子微磁學模型.他們在傳統的微磁學模擬中加入了DM相互作用所對應的哈密頓量,如(1)式所示.

在一個連續的磁化模型之中,(1)式可以進一步推導為

其中εDM表示DM相互作用所對應的能量密度;mx,my,mz分別代表x,y,z方向的歸一化磁化強度,即m=M/Ms,Ms為樣品的飽和磁化強度,在均勻系統中可以作為常數處理.(3)式中的D是一個與DM矢量相關的數值,其大小可以用(4)式計算,

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,通常在1 nm左右;t則表示鐵磁層的薄膜厚度.

將DM相互作用代入傳統的微磁學模型,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為磁化強度,Heff是等效磁場,γ是吉爾伯特旋磁比,α則是阻尼系數.該等效磁場又可以用(6)式表示,

μ0是真空磁導率,而E是與磁化強度相關的平均能量密度.該能量密度包括4種不同的貢獻來源,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:

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

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間的變化情況.為了進一步研究斯格明子在電流驅動下的行為,還需加入由電流所導致的扭矩項.根據電流自旋注入方式的不同,可以把其分為面內注入型與垂直注入型.

面內注入的電流磁矩主要來自鐵磁層中電流所導致的STT.該磁矩包括絕熱項(adiabatic torque)與非絕熱項(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,j為電流密度,β為非絕熱因子[76].

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

式中,t為磁性薄膜厚度,ξ為一個與面內磁矩大小相關的垂直磁矩幅度系數,mp為電流的自旋極化矢量.這一自旋注入方式通常可以通過自旋霍爾效應獲得.

4.2 實驗觀測方法

2009年,Mühlbauer等[24]首次在實驗上使用中子散射的方法觀測到了斯格明子.利用這一方法,他們在具有B20晶體結構的MnSi塊材中成功觀測到斯格明子在倒空間中所形成的中子衍射點,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即對應斯格明子相態[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到斯格明子的存在,并不能給出其實空間的磁矩分布.2010年,Nagaosa團隊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用于MnSi等[78,79],FeGe[68,80?82]B20結構樣品中斯格明子的觀測.具體的測試方法是分別利用LTEM在正焦(in-focus)、欠焦(under-focus)、以及過焦(overfocus)狀態下對Fe0.5Co0.5Si薄膜樣品的同一區域進行成像,如圖3(a)—(c)所示.將這三種測試結果進行磁強度傳輸方程的計算(magnetic transport of-intensity equation calculation,TIE計算),即可得出面內的磁結構分布信息.強度傳輸方程表示為

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

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)正焦狀態下Fe0.5 Co0.5Si薄膜的LTEM 圖像;(d)經過強度傳輸方程計算后得到樣品的面內磁場分布[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、能夠在實空間觀測到斯格明子的方法是利用X射線穿透樣品.2016年,Fert團隊[33]及Beach團隊[34]分別利用掃描X射線透射顯微鏡(scanning X-ray transmission microscopy,STXM)發現了室溫下(Ir/Co/Pt)10多層膜和Pt/Co/Ta結構中穩定存在的斯格明子.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)觀測到了室溫下Pt/Co/MgO結構中的斯格明子.

雖然利用X射線可以取得足夠精確的分辨率,但是實驗條件苛刻,實驗過程復雜.近年來,磁力顯微鏡(magnetic force microscopy,MFM)也被廣泛地應用于觀測材料表面納米尺度的斯格明子結構[84],甚至可以動態地表征其運動[85].而對于尺寸較大的斯格明子(微米級)來說,極性磁光克爾顯微鏡(polar magneto-optical Kerr effect(MOKE)microscope)能夠更加方便、直觀地觀測到斯格明子.實際上第一個在室溫下觀測到的斯格明子即是采用這種相對簡單易行的方法[36].

5 斯格明子電子學基礎

5.1 斯格明子的成核

斯格明子是具有拓撲保護的自旋結構,因此,在斯格明子成核的過程中需要克服其拓撲穩定性勢壘[32].實際操作中,可以通過多種途徑實現這一目標,包括外加磁場、局域熱效應、自旋波、電流等方式.外加磁場可以改變系統的整體能量,從而獲得斯格明子穩定存在的能量相態.如前文所述,當外加磁場與系統溫度處于某一區間(A-phase)時,在B20結構材料體系(MnSi,FeGe等)中的自旋分布會出現由斯格明子組成的能量基態[86?89],并產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精確控制在其截面產生及湮沒的斯格明子[90].進一步通過對FeGe的研究發現,這一方法得到的斯格明子會首先在材料的缺陷[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生焦耳熱,從而克服系統能量壁壘產生斯格明子.Nagaosa團隊[94]與Finazzi團隊[95]分別就理論及實驗角度證實了這一構想.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,從而實現斯格明子的產生及湮沒[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、激光等外部手段,并不適用于斯格明子器件的應用.因此,電學方法產生斯格明子具有更加實際的應用價值,受到廣泛的關注.

數學模擬證明在具有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生斯格明子或是類似的具有拓撲屬性的磁性渦旋結構[97?99].更一般的情況下,在平面的磁性材料結構中利用一束極細的自旋極化電流注入處于鐵磁態的樣品中,翻轉局部的磁矩方向,在合適的DM相互作用下,系統將最后穩定為一個單獨的斯格明子,如圖4(a)所示[32,50].然而這一方法所需要的電流密度相對較大(一般為1012A/m2量級),通過磁性隧道結(magnetic tunneling junction,MTJ)無法實現這一構想.因此,在設計中我們提出采取自旋閥(spin valve)進行垂直自旋注入的設計[100].我們發現,具有微波振蕩的驅動電流相較于直流驅動電流能夠更加有效地產生斯格明子,并顯著地降低閾值電流密度.當驅動電流振蕩頻率接近疇壁回轉模式頻率時,激發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,在特定情況下,這一結構還能產生具有更高斯格明子數(例如斯格明子數為2)的拓撲結構[102],是研究類似結構的常用自旋注入方法.

在實驗上,W iesendanger團隊[103]利用自旋極化的掃描隧穿顯微鏡(spin polarized scanning tunneling microscopy,SP-STM)實現了局部磁矩的翻轉.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,實現了對單個斯格明子產生及湮沒的精確控制,如圖4(b)所示.進一步地,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,也觀測到了類似的斯格明子產生及湮沒[104].

圖4 (a)利用垂直注入的自旋極化電流產生斯格明子的器件構想;(b)通過SP-STM的探針在材料局部注入自旋極化電流,從而翻轉局部磁矩,產生斯格明子[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窄帶中的DW推動到寬帶中獲得[105];(b)在實驗上通過類似結構產生微米級別的斯格明子已經得到證實[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)在特定結構中轉化為斯格明子.這一方法最初由周艷團隊通過仿真進行證實[105].在這一設計中,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,一對包含數據信息的DW被從窄線推到寬線中.由于不同位置的DW在此過程中會受到不同方向的自旋矩,最終將導致一種具備拓撲保護性質的斯格明子磁泡的產生,如圖5(a)所示.2015年,Hoffmann團隊[36]首次在實驗中利用類似器件結構實現了微米尺度斯格明子與DW的轉換,如圖5(b)所示,從實驗上證實了這一方法的可行性.這也是實驗中首次在室溫下直接觀測到的斯格明子產生,為斯格明子的相關應用奠定了基礎.相關實驗結果及其理論分析[106,107]也進一步揭示了非均勻的自旋極化電流產生斯格明子的作用機理.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

當一個電子在連續變化的非共線磁體中運動時,其自旋取向隨磁矩方向而時刻變化,并且在電子與磁結構間產生一個相互作用力[108?112].斯格明子由于其特殊的拓撲自旋結構,當載流子經過斯格明子時會對其產生一個驅動力[113?115],同時斯格明子的運動又會產生一個繼承其拓撲屬性的新型磁場[116].相對DW而言,斯格明子在電流驅動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],實現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致的效應驅動,即鐵磁層中的面內電流產生的STT,以及由重金屬層中電流的自旋霍爾效應(spin hall effect,SHE)所產生的SOT,如圖6所示[32,49,50].

圖6 (a)STT和(b)SOT驅動斯格明子時電流的作用方式示意圖Fig.6.Schematic diagrams of(a)STT and(b)SOT driven skyrmions.

這兩種轉矩所對應的具體形式已在前文關于仿真方法的討論中詳細說明.在上述自旋矩作用下的斯格明子運動可以用蒂勒方程(Thiele equation)[118?120]進行描述.在不加入電流所引發的自旋矩的情況下,該方程可表示為[32]

其中v是斯格明子的運動速度;F代表施加于斯格明子的外力,在納米線等受限運動結構中一般來自于邊界;G是陀螺向量;α為阻尼系數;D為耗散矩陣.假設斯格明子在運動過程中形狀并未發生改變,納米線的長度方向為x方向,垂直薄膜方向為z方向,則陀螺向量G可以寫為G=(0,0,4πQ),Q為斯格明子所對應的斯格明子數(skyrmion number).此時,耗散矩陣D則可以寫為

在STT作用的情況下,(12)式可表達為

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

由(13)式可以導出斯格明子在納米線中的運動速度如(14)式所示:

同時,斯格明子還會受到y方向的馬格努斯力[121],并在y方向產生一個偏移[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.當斯格明子沿x方向穩定運動時,將在y方向出現一個恒定的偏移量.將F代入(13)式,可以得出此偏移量的表達式為

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動速度與偏移量.當α=β時,斯格明子的運動速度與載流子運動速度一致(v=u);且這時斯格明子在y方向上的偏移量為0.當斯格明子在隨空間變化的α與β中運動時,可以明顯地觀察到其運動軌跡隨著參數的變化而變化[124].

對于SHE所產生的SOT作用下的斯格明子運動,可以將(12)式改寫為如下形式[125]:

其中B與SHE相關;R為面內的旋轉矩陣;JHM為重金屬層中的電流密度,也即產生自旋霍爾效應的電流.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)式可以得出此時斯格明子在x與y方向同時獲得一與自旋霍爾電流成正比的速度,其運動軌跡將沿x方向呈現一夾角.在y方向運動受到限制的納米線中,斯格明子受到邊界的作用,將沿x方向穩定運動,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動電流作用下具有不同的速度表達式,通過仿真計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律,如圖7(b)所示.隨著驅動電流密度的增加,斯格明子的速度呈線性增長,符合公式中的正比關系.對比STT與SOT兩種驅動模式,可以看出在相同驅動電流密度的情況下,SOT可以獲得更高的效率[125].同時,由于SOT產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器設計中,以SOT作為驅動源能夠獲得更快的器件速度與更好的能效性能.

斯格明子的電流驅動相對于以往運用于賽道存儲器的磁疇壁來說具有相似的速度表達式和電流密度與速度的比例關系.但是,由于斯格明子特殊的拓撲屬性,使得其具備明顯的優點:更低的閾值驅動電流以及對于器件中缺陷的魯棒性[31,32,64,122].通常情況下,要驅動DW運動的閾值電流在1011—1012A/m2,而驅動斯格明子理論上只需要106A/m2的電流,比DW低5到6個數量級.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賽道中由缺陷導致的DW釘扎等問題.相關實驗工作也進一步展示了電流驅動下的斯格明子動力學特性.首先,斯格明子可以在納米線中被電流驅動,但遺憾的是在驅動效率上目前理論和實驗并不能很好地符合,驅動斯格明子所需的閾值電流較理論值偏高(108—1011A/m2).這是由于納米線結構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,即在y方向存在的偏移,也在實驗上被直接觀測到[126,127].

圖7 (a)斯格明子在SOT作用下運動會發生一個垂直于納米線方向的偏移;(b)受限納米線結構中斯格明子在STT與SOT作用下運動速率與電流密度的關系,當SOT電流過大時,斯格明子偏移過大,會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研究中,斯格明子霍爾效應會導致斯格明子沿y方向偏移.由于納米線邊界會對斯格明子運動產生一定的阻尼效應[128],斯格明子沿y方向運動距離越大,其x方向速度越低.當電流足夠大時,過大的y向馬格努斯力甚至會破壞斯格明子,使其湮沒[123].為避免斯格明子湮沒造成的信息丟失,一種方法是優化納米線邊界條件,使得斯格明子在邊界具有更高的勢能,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動電流來實現.由于在器件中,通常需要逐個寫入和讀取斯格明子序列中的信息,驅動斯格明子的電流往往并非連續電流.在仿真中,斯格明子在驅動電流關閉后會繼續受到邊界排斥力,從而回到納米線y方向的中心位置.在原本會導致斯格明子湮沒的電流密度下,通過控制驅動電流的脈沖持續時間和間隔時間,可以避免斯格明子被移出納米線[100],如圖8(a)所示.這樣的設計既利用較大的驅動電流增大了斯格明子遷移速率,同時也保證了斯格明子的完整性.這一研究同時表明,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,寬度越大,斯格明子可承受的驅動電流也越大,同時代表著其遷移速率的增加,如圖8(b)所示.由此可見,器件的運行速率(斯格明子遷移速率)與器件面積(納米線寬度)存在競爭關系,在器件設計中需要對速率與密度進行取舍.

圖8 (a)在受限納米線中,過大的驅動電流會使得斯格明子在納米線邊界處發生湮沒,但是通過采取脈沖驅動電流,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生;(b)斯格明子在納米線中遷移速率與驅動電流密度呈現正比關系,但隨著驅動電流的增大,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)之間存在競爭關系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],磁場梯度[133],自旋波[134?136],電場等[104]方法驅動.理論研究已經證明自旋波能夠有效地驅動斯格明子.通過在納米線的一端施加振蕩的磁場,可以在納米線中激發出沿納米線傳播的自旋波.斯格明子將會隨著自旋波而發生輸運,如圖9(a)所示[101,134].該方法在理論上由于沒有電流所產生的熱損耗將具有更低的能耗.但是,由于產生自旋波需要外界磁場,在真正的器件設計中不如電流驅動實用.類似的還有利用應力控制的斯格明子[137],通過應力能夠改變材料結構中對應的磁學參數,從而達到控制斯格明子的產生及輸運.

近期還出現了一種新型的利用交替變化的電壓控制磁各向異性驅動斯格明子的方法.斯格明子在具有梯度勢能的納米線中會向低勢能區域移動.這種移動方式具有高效且無側向位移的優勢.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域的勢能分布.利用這一特性可以使得斯格明子始終處于一個梯度勢能中,從而利用電壓使得斯格明子產生輸運[138].其具體的器件設計猶如磁懸浮列車軌道,前后電極交替變化,如圖9(b)所示.相對于之前所介紹的電流驅動方法,這一全新的驅動模式已經被理論證明可以在大幅度降低功耗(約3個數量級)的同時實現斯格明子的高速移動(259 m/s)[139].

圖9 (a)利用微波天線可以在鐵磁納米線一端產生沿納米線傳播的自旋波,從而驅動斯格明子運動;(b)通過相鄰的多個VCMA門可以在納米線中產生隨斯格明子位置連續變化的能量梯度,驅動斯格明子前進[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].

盡管上述非電流驅動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,亟待實驗驗證.因此,目前斯格明子電子學中主流的驅動方法仍然是電流驅動.

5.3 斯格明子的檢測

斯格明子可以通過拓撲霍爾效應(topological Hall effect,THE)[25,140,141]或者磁阻效應進行檢測(magnetoresistance)[90,142?148].2009年,Neubauer等[25]通過THE檢測的方法測量了MnSi中的A相(即后來的斯格明子相),證明其包含一種拓撲量化的貝瑞相.但是這種方法難以用于電子器件中.因此,在電子器件設計中一般采取磁阻的方法檢測斯格明子.人們最先想到的是利用斯格明子導致的霍爾電阻的變化.在一諸如納米線的受限結構中,納米線兩端導線的霍爾電阻值與納米線中磁矩分布密切相關.當斯格明子通過時,由于磁矩的改變,納米線兩端霍爾棒(Hall bar)所測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,當斯格明子運動到由MTJ構成的讀取頭下方時,磁矩方向的改變會導致與自旋有關的電子態發生改變,從而使得MTJ隧穿磁阻發生變化.通過讀取該阻值的變化即可判斷出讀取頭區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現全電學的斯格明子探測將成為可能.

除了隧穿磁阻效應外,另一種可以用來探測斯格明子的磁阻效應被稱為各向異性磁阻(anisotropic magnetoresistance,AMR).這一效應源自于由自旋軌道耦合引起的材料內稟屬性,但是其能夠實現的阻值變化相對較小,難以應用于斯格明子電子器件中[148,149].近年來,又出現了一種全新的通過電學手段實現斯格明子探測的方法,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,并引發一種激烈的電流.從結果上看,斯格明子在電學上與鐵磁背景發生了明顯的區別.實驗中,Hanneken團隊[145]運用這一原理通過STM成功地探測了Pd Fe/Ir(111)中的單個斯格明子.

圖10 斯格明子可以通過(a)霍爾棒或(b)垂直異質結結構進行探測;(c)對于異質結結構的探測方法主要可以通過GMR/TMR,AMR及NCMR三種效應實現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 斯格明子的調控

斯格明子無論是作為存儲器件還是邏輯器件中的信息載體,對其有效的操作方法都是必不可少的,即可通過電學的方法控制斯格明子的運動方向和運動速度.理論研究表明,通過人為地控制器件中的能量分布可以實現對斯格明子的控制.例如通過在納米賽道中加入溫度梯度,可以實現對斯格明子霍爾角的有效調控[150].通過電壓控制的磁各向異性(voltage-controlled magnetic anisotropy,VCMA)效應,提高或者降低器件某一區塊的磁各向異性能,從而實現斯格明子的釘扎或者通過.這一想法已經在理論上獲得了驗證[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,形成一個能量勢壘,將能夠有效地釘扎斯格明子.根據這一結論,可以設計出諸如斯格明子晶體管、賽道存儲器等多種相關器件,將在下文器件介紹部分進行詳細闡述.Wang團隊[129]更進一步地將VCMA門設計為不規則形狀,研究了電壓控制的斯格明子在人工設計路徑上的輸運,為斯格明子器件的進一步設計奠定了基礎,其設計如圖11(b)所示.通過VCMA提高不規則區域的磁各向異性,形成一個人工控制的不規則低能量軌跡.在電流驅動下,斯格明子將沿著該可控軌跡運動.

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控制形成一不規則低能量路徑,在電流驅動下,斯格明子將沿這一路徑運動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介紹

隨著對斯格明子性質的深入研究,將斯格明子作為信息載體展現出了十分明顯的優勢,包括高存儲密度(尺寸小)、高靈敏度(驅動電流閾值小)、高可靠性(結構穩定).因而,基于斯格明子的一系列信息器件設計被相繼提出.其應用方向主要分為存儲、邏輯以及類腦等3個方面,如圖12所示.接下來我們將舉例介紹相關的斯格明子器件設計.

圖12 斯格明子電子學器件的主要應用方向有3個方面:1)存儲器件;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 斯格明子存儲器件

斯格明子存儲器主要分為基于MTJ的單結多值存儲以及基于賽道的立體存儲設計.研究發現,在空間受限的磁體結構中,能夠可控地產生或者湮沒一到數個斯格明子.2015年,田明亮團隊及其合作者[90]通過改變外加磁場測量到了MnSi納米線中由于斯格明子產生及湮沒所導致的磁電阻跳變.我們將這一現象推廣到MTJ中,仿真證明了利用電流所產生的STT在MTJ釘扎層漏磁場的輔助下可以可控地在其自由層中產生或是湮沒斯格明子,從而獲得一個多值的磁阻變化[152].該設計可以作為一種單結的多值存儲單元,實現高密度存儲,同時將可能應用于人工神經網絡.

另一方面,基于DW的賽道存儲器(racetrack memory,RM)設計早在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)代表了二進制信息中的“0”或是“1”.在電流的驅動下,DW可以在納米線中發生輸運,從而傳遞磁疇中所存儲的信息.因此,賽道存儲器被認為有希望取代硬盤作為大規模存儲應用.但是同時,利用DW作為賽道存儲器信息載體存在一些潛在的問題,例如,所需的驅動電流閾值過大,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的發展,使其至今只能停留在理論層面.斯格明子的出現正好彌補了利用DW設計賽道存儲器的不足,將有希望成為新的賽道存儲器信息載體.

首先,我們設計了一種基于斯格明子的賽道存儲器[154].在這一設計中,二進制信息“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密度.更進一步,斯格明子相較于DW的驅動電流閾值小5—6個數量級,具有更好的控制靈敏度,同時也降低了器件的運行功耗.除此之外,斯格明子所具備的拓撲保護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,而不會像DW一樣發生釘扎或是破裂而丟失信息.

典型的斯格明子賽道存儲器結構如圖13所示,其主要由寫入頭、納米賽道、讀取頭三個部分組成.寫入頭可以產生斯格明子:如事先定義一個斯格明子代表信息“1”,沒有斯格明子則代表信息“0”,根據所需寫入的數據“1”或者“0”,寫入頭可以產生或者不產生斯格明子.每一個時鐘周期,納米賽道中均會產生一個恒定大小和持續時間的“時鐘”驅動脈沖,在這一脈沖驅動電流作用下,已經被寫入的斯格明子會沿著納米賽道依次傳遞,從而形成一個包含有效信息的斯格明子序列.這一序列在經過讀取頭時,讀取頭將利用前面所述的探測方法探測當前比特位是否存在斯格明子,從而將儲存于斯格明子序列中的有效信息提取出來.目前這一概念在實驗上已經得到一些初步的驗證[155].由于斯格明子的產生、驅動、探測方法均已經在前面討論,不再贅述.斯格明子賽道存儲器將這三部分結合在一起,從而形成一個完整的信息儲存器件,是斯格明子電子學領域的基礎應用之一.

圖13 將斯格明子作為信息載體的賽道存儲器示意圖,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器的實際設計中,還需要考慮一些具體的問題.我們考慮的第一個問題是在作為一個序列傳遞的過程中數據不會出現錯位.由于斯格明子的運動和DW運動類似,在實際過程中其運動快慢受到外部諸如溫度、非均勻的材料晶粒等影響可能會偏離實際預期,從而發生數據的錯位.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動時所運動的距離保持一致.考慮到斯格明子會被高能量勢壘釘扎,利用電壓控制的VCMA可以人為地產生可控的磁各向異性能量勢壘,實現對納米賽道中斯格明子的釘扎/通過控制,即形成一個可開關的門(gate).將每一個比特位用這樣的VCMA門分隔,如圖14所示.只有當需要斯格明子通過的時候打開,當需要寫入或者讀取斯格明子的時候則關閉門[100].這樣的設計使得整個斯格明子序列按照比特位步進式地傳遞,避免了斯格明子因為運動過快或者過慢導致的錯位.

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

另一個問題來自斯格明子讀取中可能出現的錯誤.在DW-RM中,磁疇的方向決定了存儲的信息,非“0”即“1”.但是在斯格明子賽道存儲器中,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并未恰好檢測到斯格明子則會導致讀取錯誤.此外,在信息同步中連續的“0”有可能使得數據發生失鎖的現象.為了克服這些問題,我們設計了一種采取差分方式編碼數據的結構[156],如圖15(a)所示.在這一設計中,我們采用首端相連通的兩條平行的納米賽道L和R表示同一組數據.這兩個納米賽道首端均有一個可控的VCMA門,可以將斯格明子阻斷在賽道外或是允許其進入.在每一個時鐘周期寫入端均產生一個斯格明子.根據所需寫入數據的不同,選擇打開或者關閉相應的賽道.例如,定義數據“1”為R賽道中的斯格明子,而“0”為L賽道中的斯格明子.當需要寫入“1”時,打開R賽道,同時關閉L賽道,則斯格明子將進入R賽道形成一個數據“1”,如圖15(b)所示.讀取時,需要對比R和L賽道中的磁矩狀態,進行差分.假設某一賽道中斯格明子序列發生了偏移,則會在讀取時出現兩個賽道同時有或是沒有斯格明子的情況,系統可以立即發現并進行糾正.因此,這一設計可以極大地增強賽道中數據的魯棒性,減小差錯率.同時,由于始終能夠在某一個賽道中探測到斯格明子,即使是連續的“0”或者“1”數據也不會導致失鎖現象的發生.最后,由于讀取數據采取了差分的方法,相對于讀取單個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.當然,這一設計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據可靠性的一種取舍.

圖15 采用差分編碼的斯格明子賽道存儲器結構(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現[151].其具體的器件設計如圖16(a)所示.一個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.源極由一個置于納米線上的MTJ組成,能夠在垂直極化電流的激發下產生斯格明子.斯格明子在源極產生后會受到納米線中電流或者自旋波的驅動向漏極運動.VCMA門所在區域的PMA會受到局部電場E的調控,其大小可以用(18)式表示[157,158]:

其中Kuv與Ku分別表示經過VCMA門調節之后與之前的PMA常數,?Kuv為與VCMA強度相關的一常量.這一線性表達式已經在實驗中被Shiota團隊[159]所證實.

由于PMA的改變,該區域內總能量會隨之變化,從而形成一個能量勢壘,阻擋斯格明子繼續向漏極運動.斯格明子的能量可以表述為[151]

其中D為DMI系數,K為PMA常量,A為交換相互作用常數,B為磁場強度.由(19)式可知,當PMA增加時,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,假設通過VCMA門的調節,門區的PMA增大(Kuv=1.05Ku),則對于斯格明子來說會形成一個能量勢壘,斯格明子會被釘扎在勢壘的外側;而當VCMA門使得區域PMA減小時(Kuv=0.95Ku),如圖16(c)和圖16(e)所示,則會相應地形成一個斯格明子的勢井,斯格明子在通過這一勢井時會陷入其中,被釘扎于勢井內側.另外,斯格明子是否會被釘扎在VCMA門控制區域還取決于驅動斯格明子的電流密度.因此,對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動力,如圖16(b)和圖16(c)所示.通過控制VCMA門的開關,可以選擇將斯格明子釘扎在源極,或者使其到達漏極,實現晶體管的開關功能.另一種方法則是保持VCMA門區域的PMA不變,形成一個固定的勢壘或者勢井.在一個較小的電流的驅動下,斯格明子會被釘扎在這一勢壘或勢井中.需要斯格明子通過時,加大電流密度,使其跨越勢壘(井),到達漏極,如圖16(d)和圖16(e)所示.

另一方面,周艷團隊利用斯格明子可以和DW相互轉換的特點[105],提出了一種利用斯格明子實現邏輯門的設計[43].如圖17所示,通過控制納米線的寬度,即可實現邏輯中常見的OR或者AND門.在較窄的納米線中,無論輸入端是一個斯格明子或者同時都有一個斯格明子,在納米線中均會轉化為完整的DW,進而進一步得到一個完整的斯格明子,實現邏輯上的OR.在較寬的納米線中,只有當兩個輸入端同時輸入一個斯格明子時才能產生一個完整的DW,在輸出端得到一個斯格明子;如果只有一端有斯格明子,其轉化為的DW將不足以占據整個納米線,從而形成一個會湮沒于納米線中的不完整DW,由此實現邏輯上的AND.

圖16 (a)斯格明子晶體管示意圖;(b)—(e)利用改變驅動電流或者VCMA門電壓控制斯格明子的運動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換設計的邏輯“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特的特點.首先,斯格明子是一種可編碼的類粒子結構,復數的斯格明子可以自然地聚集在一起形成多進制的信息,并且通過斯格明子個數不同所導致的磁化分布不同進行區分.其次,由于斯格明子受電流驅動的運動完全可控,使得該多進制信息與驅動電流緊密相關.最后,斯格明子由于其粒子特性,當多個斯格明子聚集在一起時每一個斯格明子的位置具有一定的隨機特性.上述“多值”,“可控”以及一定的“隨機性”特點使得斯格明子更加適合于神經網絡相關應用.

根據以上特性,我們設計了一種基于斯格明子的神經突觸[45],如圖18(a)所示.該設計的基本組成部分為突觸前級和突觸后級,兩者均處于同一納米線鐵磁層薄膜,被中間具有高PMA的能量勢壘所隔離.在突觸前級中,利用DW轉化等手段使得突觸前級斯格明子數量達到飽和.由于納米線中心能量勢壘的阻擋,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.當正/負向的外部的激勵(電流)到達時,斯格明子受到電流的驅動跨越能量勢壘到達/離開突觸后級,其到達/離開的斯格明子個數完全取決于器件所受激勵的大小和時間長短.突觸后端的整個區域被作為讀取區,利用MTJ或其他磁性探測器可以探知該區域的磁矩變化,并以磁阻的形式反映出來.定義該磁矩為整個突觸器件的權重,從上述工作過程可知,外部激勵在通過斯格明子突觸后會改變斯格明子在突觸后級分布的數量,從而改變器件權重的大小,即實現了神經突觸的可塑性(plasticity)功能.

進一步的研究發現,這一器件設計還同時滿足了神經突觸中的短時程突觸可塑性(short-term plasticity,STP)以及長時程增強(long-term potentiation,LTP)功能,如圖18(b)—(e)所示.假定器件中所有激勵電流具有相同的大小,如圖18(b)所示,在情況1中,激勵具有1.5 ns的持續時間和5 ns的間隔,此時,斯格明子有足夠的時間在激勵消失前越過勢壘,形成LTP;保持激勵的頻率,減小持續時間到1 ns(情況3),這一情況下,斯格明子無法有效地翻越勢壘,當激勵消失后器件完全返回到激勵到達前的狀態,形成STP,如圖18(d)所示;保持1 ns的激勵持續時間,將激勵的頻率提高為間隔2 ns,如圖18(c)情況2所示,此時雖然單個的激勵無法使斯格明子越過勢壘,但由于間隔較短,下一個激勵在斯格明子完全返回初始狀態前到達,在跨越勢壘的能量上形成了積累.斯格明子在多個激勵作用下最終跨過勢壘,改變了器件權重,形成LTP.由此可見,激勵的持續時間和頻率決定了器件發生STP或是LTP,與神經網絡中突觸的設計相符.這一器件設計是第一次將斯格明子運用于神經網絡器件,為后續的相關應用打下基礎.

圖18 (a)斯格明子神經突觸結構示意圖,該器件首次利用斯格明子的可聚集特點實現了人工神經突觸的(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).

繼斯格明子神經突觸之后,我們又提出了基于斯格明子的神經元設計,如圖19(a)所示[46].該設計利用了斯格明子在梯度PMA分布的納米線上會自發地向低能量端運動的特點,模仿神經元中的漏-收集-激發(leaky-integrate- fir,LIF)模型.該模型的具體描述可以理解為神經元所同時具有的三種功能,如圖19(c)所示:能夠隨時間恢復原始狀態(漏),能夠收集前端神經元所發出的激發信號(收集),以及可以在收集信號達到閾值的時候產生一個激發信號(激發).

整個器件的鐵磁層被設計為具有梯度變化的PMA.在PMA較低的一端(寫入端)有斯格明子的產生單元,在PMA較高的一端(讀取端)為斯格明子的探測單元.斯格明子由產生單元生成后由于受到納米線上梯度能量分布的影響,會趨向于保持在能量較低的寫入端.當由前級神經元產生的激發信號傳入當前神經元時,斯格明子會受到電流的驅動向具有較高能量的讀取端運動.在我們的設計中,單個的激勵信號并不能使斯格明子到達讀取端,斯格明子將會停在某一中間位置.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,神經元接收到了另一激發信號,則斯格明子將再一次向讀取端運動,其達到的位置不僅僅反映了當前的信號,還積累了部分之前信號的貢獻,即LIF模型中的“收集”功能.最后,當積累的信號達到某一閾值,斯格明子將到達讀取端,并通過探測單元向后端輸出一激發信號,完成LIF模型中的“激發”.這一設計巧妙地利用了斯格明子的物理特性,將原本復雜的電路功能在一個簡單的器件中實現,證明了斯格明子在神經網絡領域的潛在應用價值.

采取類似的思路,將納米線寬度設計為線性變化,利用納米線兩端線性變化的排斥力代替由梯度PMA導致的線性排斥作用,實現同樣的LIF功能[47,128].相對于實現梯度PMA,在實驗和器件制備中改變納米線寬度更加具有可操作性.我們由此設計了一種基于該原理的新型人工神經元器件[47],如圖19(b)所示.為了抵消斯格明子霍爾效應,該器件被設計為雙層鐵磁層耦合結構[130].當受到電流作用產生運動時,斯格明子所受到的納米線邊界的作用力會隨著其位置的變化而逐漸增加,從而產生符合LIF模型的運動模式,如圖19(d)所示.

圖19 (a)基于PM A變化及(b)納米線寬度變化設計的斯格明子神經元器件示意圖;(c)斯格明子神經元所實現的LIF功能信號與生物神經元信號對比;(d)不同激發信號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 斯格明子電子學未來的發展

7.1 當前斯格明子電子學所面臨的問題和挑戰

斯格明子憑借其特殊的拓撲性質以及所對應的尺寸小、易驅動、結構穩定等優點,被認為是未來自旋電子器件中的理想信息載體.自2009年首次在實驗中被發現以來,關于斯格明子性質及其應用的研究便成為學術界關注的熱點.但是在其實際應用的過程中仍然存在一些亟待解決的科學及技術問題.

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獨立地在實驗中得到證實.但是,這些實驗有的需要在低溫下進行,例如Wiesendanger團隊[103,145]利用STM觀測斯格明子并對其進行讀寫的實驗,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構中被發現[33,36,83],但是仍然依賴于LTEM,MFM等外部實驗設備進行成核及探測.未來的一大挑戰將是把單個斯格明子的產生、輸運及探測利用電學的方法在室溫下實現,并集成到同一個微納電子器件中.

2)可實際應用的材料/結構體系

當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的斯格明子,都局限于具有中心反演對稱性破缺的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稱產生的界面DM相互作用體系.其中只有一少部分是能夠在室溫下穩定獲得斯格明子的體系,并且尚面臨產生的斯格明子尺寸過大或是難以被驅動的問題.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行輸運,但實驗發現材料缺陷對斯格明子實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定存在斯格明子的同時,還應具備較高的薄膜質量.近期研究表明,非晶鐵磁薄膜或許將能夠解決薄膜質量問題,例如非晶的Ta/CoFeB/MgO被發現優于具有晶體結構的Pt/Co/Ta結構[163,164].在斯格明子輸運方面,當前斯格明子器件的設計多依賴于電流驅動的斯格明子輸運.為了降低驅動電流密度,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附帶地改變其他諸如DM相互作用、垂直各向異性等參數.綜合考慮這些參數也是對當前材料體系的一大挑戰.最后,考慮到相關器件的電流電壓控制仍然依賴于現有的半導體工藝及器件技術,因而斯格明子電子學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

斯格明子的輸運相較于DW具有極低的閾值電流密度.但是,在信息傳輸等希望獲得較高輸運速率的情況下,斯格明子的輸運速率與DW相當.前文所介紹的采用變化電壓驅動斯格明子的方法可以在極低功耗下獲得高速的輸運[139],但仍然亟待實驗的論證.此外,由于斯格明子霍爾效應的存在,斯格明子在受限納米線中運動會發生一個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動速度,還限制了其所能取得的最大輸運速率.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的排斥力,進而使得斯格明子發生湮沒.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計中的鐵磁層[165].由于上下兩層中所產生的馬格努斯力完全抵消,斯格明子運動過程中將不會產生霍爾偏移.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壘[166].上述方法在理論上均能取得較好效果,因此能夠從實驗中檢驗這些新方法將是未來的研究熱點之一.

7.2 斯格明子電子學未來的應用前景

斯格明子有望將拓撲保護這一全新特性帶入器件設計領域,并帶來許多全新的能耗和性能上的突破,其應用前景主要體現在下述三個方面.

1)提升自旋電子存儲器件的性能

斯格明子小尺寸的特點意味著在相同芯片尺寸的情況下可以存儲更多的信息.同時,更低的啟動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,甚至可以實現aJ/bit量級的超低功耗[139].拓撲保護的特點則決定了斯格明子可以作為穩定信息比特長時間存儲.由此,斯格明子將有望實現自旋電子器件中的信息存儲單元在可靠性、速度、存儲密度等方面的全面提升.

2)構建新型結構及功能自旋電子器件

斯格明子在各種外力作用下的運動模式都已經被廣泛研究,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,斯格明子的運動軌跡已經可以在理論上被精確控制,從而設計出一些替換傳統器件中需要復雜結構才能實現的功能.例如,利用斯格明子運動特點可以設計出具有高頻穩定的信號發生器[167];傳統的數據插入需要移動整個數列中所有數據,而斯格明子所代表的數據則可以利用一個邊路的納米線自然地實現[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現[44].

3)利用斯格明子的類粒子特點可以實現仿生器件

斯格明子的另一特性是作為類粒子結構,復數的斯格明子可以自然聚集在一起表示一個多值的數據.例如前文介紹的斯格明子神經突觸[45]即是利用斯格明子個數的變化表達突觸權重.利用這一特點,斯格明子作為信息載體將有效地突破二進制馮·諾依曼體系的限制.在未來將有望實現多值、邏輯存儲相結合的新型器件突破.

8 總 結

本文回顧了斯格明子的發現過程及其拓撲特性、器件應用等方面的研究現狀,探討了相關自旋電子器件的應用前景,并對當前所遇到的問題進行了討論.著眼于將斯格明子應用于電子器件及集成電路,即斯格明子電子學,本文重點討論了斯格明子的電學寫入、控制及讀取功能;詳細介紹了斯格明子存儲、邏輯及類腦計算器件.在這些設計中,斯格明子作為信息載體使得一些原本復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的提升,展現出其在后摩爾時代的應用潛力.盡管如此,斯格明子電子器件離實際應用尚存在一些亟待解決的基礎科學及技術問題,需要在材料結構設計、控制方法及微納集成技術等方面開展進一步深入的研究.