基于磁彈耦合有效場的SAW驅(qū)動FMR模型建立

信息技術(shù)的高速發(fā)展帶來了現(xiàn)在的大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)呈爆炸式增長。海量的數(shù)據(jù)要求微電子器件具有高速、高密度、低功耗、非易失性等性能。近年來傳統(tǒng)的微電子器件在微縮的過程中已經(jīng)接近摩爾定律的極限。鑒于此，人們逐漸意識到可以將電子的自旋屬性引入到傳統(tǒng)的微電子器件中，自旋電子學(xué)便應(yīng)運而生。自旋電子學(xué)的核心工作是實現(xiàn)自旋流的產(chǎn)生、輸運、操控和探測，這些目標(biāo)可以通過自旋與多種外場的相互作用來實現(xiàn)。目前人們廣泛使用磁場、電場、電流、應(yīng)變、光和熱來操控磁性和上述自旋現(xiàn)象?；谂c這些外場的相互作用，已經(jīng)開發(fā)出多種用途廣泛的自旋電子學(xué)器件，如在嵌入式存儲領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的磁隨機存儲器。聲表面波（SAW）是一種在固體表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ赟AW的射頻濾波器因其體積小、成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為手機射頻前端模塊中用于濾除帶外干擾和噪聲的關(guān)鍵器件，被廣泛地應(yīng)用于無線移動通訊等領(lǐng)域。SAW的產(chǎn)生與探測非常簡便，在壓電材料的叉指換能器上施加交變的電壓信號，即可通過壓電效應(yīng)激發(fā)聲表面波，傳播一段距離后再通過逆壓電效應(yīng)對其進行探測。

除了上述有重要價值的實際應(yīng)用之外，SAW也為材料基礎(chǔ)研究提供了廣闊的平臺。通過學(xué)科交叉融合，將自旋電子學(xué)材料集成到SAW器件中來實現(xiàn)SAW與自旋電子學(xué)材料的相互作用，已經(jīng)被廣泛關(guān)注。一方面，SAW可以多維度有效調(diào)控自旋電子學(xué)器件的屬性。利用聲學(xué)諧振腔的設(shè)計，SAW在傳播過程中可攜帶長程傳輸?shù)南喔陕曌樱瑸檠芯课⒂^的自旋-聲子耦合提供了一個全新的平臺。另外應(yīng)變作為一種有效的物性調(diào)控手段，已在自旋電子學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，通過逆磁致伸縮效應(yīng)就可實現(xiàn)應(yīng)變對磁性或自旋現(xiàn)象的直接操控。而SAW本質(zhì)上是一種高頻交變的應(yīng)變聲波（數(shù)GHz），與鐵磁材料的本征進動頻率在同一頻段，將有望相比于傳統(tǒng)的靜態(tài)應(yīng)變對磁化動力學(xué)行為有更加顯著和新奇的影響，進而更加有效地操控磁性和自旋?；剡^頭來，磁性材料的集成對于SAW器件的參數(shù)也有顯著影響，可通過易于操縱的磁性來調(diào)控SAW的傳播特性，包括實現(xiàn)聲波的非互易傳播、磁調(diào)控聲波的幅值、相速度等，這為隔離器、環(huán)形器、磁電天線和磁傳感器等新型器件的設(shè)計和調(diào)控模式提供了一條全新的思路。

SAW驅(qū)動的鐵磁共振（FMR）對于實現(xiàn)磁聲耦合至關(guān)重要，是實現(xiàn)對磁性和自旋流的高效聲學(xué)調(diào)控的關(guān)鍵。目前，基于磁彈耦合有效場的SAW驅(qū)動FMR模型已經(jīng)建立，該有效場與磁彈耦合系數(shù)和應(yīng)變成正比，被廣泛用來解釋聲控磁性現(xiàn)象。研究者們已經(jīng)開發(fā)出多種技術(shù)手段來研究磁彈耦合有效場，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、磁光方法、NV色心、微聚焦布里淵光散射和X射線磁圓二色-光發(fā)射電子顯微鏡。然而這些方法需要復(fù)雜的分析過程和成本高昂的設(shè)備，這嚴重阻礙了其廣泛應(yīng)用，并且與現(xiàn)代微電子工藝不兼容。清華大學(xué)材料學(xué)院潘峰-宋成團隊從自旋力矩-FMR的測試得到靈感，自旋流的有效場作用由磁彈耦合有效場代替。通過將磁性探測條與SAW延遲線集成起來，實現(xiàn)了基于電學(xué)整流的SAW驅(qū)動FMR的直流電檢測（圖1a）。他們開發(fā)出一套定量描述SAW驅(qū)動FMR產(chǎn)生整流電壓的模型，通過分析整流電壓提取對稱線型和反對稱線型（圖1b），可以直接表征和計算磁彈耦合有效場，對聲控磁化動力學(xué)有了更深入的理解。這種直流電檢測手段表現(xiàn)出更好的器件集成兼容性和更低的成本。另外，獲得了較大的非互易整流電壓（正負磁場下的電壓幅值不對稱），這歸因于面內(nèi)和面外磁彈耦合有效場的共存（圖1c）。面內(nèi)和面外有效場的大小可以通過控制磁性薄膜內(nèi)的縱向應(yīng)變和剪切應(yīng)變來大幅調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)幾乎100%的非互易整流信號。這個發(fā)現(xiàn)為可設(shè)計的磁聲耦合器件及其簡便的信號讀出提供了獨特的機會。相關(guān)工作以“Direct-Current Electrical Detection of Surface-Acoustic-Wave-Driven Ferromagnetic Resonance”為題，發(fā)表于《先進材料》。

圖1 聲學(xué)鐵磁共振的電學(xué)檢測

基于上述聲控磁化動力學(xué)的研究，團隊利用磁光克爾顯微鏡這種磁疇成像手段原位表征了SAW驅(qū)動下磁性薄膜的磁化過程和磁疇演化規(guī)律，觀測到SAW對磁性薄膜中的磁疇形態(tài)、形核方向有著顯著的影響。與磁疇類似，磁性斯格明子也是磁性材料中的一類磁織構(gòu)，但不同之處在于斯格明子具有非平庸的拓撲性質(zhì)，出現(xiàn)在具有空間反演對稱性破缺的磁性體系中。斯格明子的尺寸可以小至幾納米，類似于一個“準(zhǔn)粒子”，可以被產(chǎn)生、移動和湮滅。因其拓撲非平庸和準(zhǔn)粒子的特性，斯格明子在各種自旋電子學(xué)應(yīng)用中顯示出前所未有的潛力，尤其是在新一代信息存儲和邏輯技術(shù)中，例如斯格明子賽道存儲器和基于斯格明子的自旋邏輯器件。這些實際應(yīng)用的前提都是斯格明子能以低功耗的方式被產(chǎn)生和有效操控，特別是抑制斯格明子霍爾效應(yīng)（SkHE）的出現(xiàn)，即斯格明子在縱向運動過程中產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)。盡管SkHE的減弱最近在亞鐵磁和人工反鐵磁體系中取得了一定進展，但鐵磁體中斯格明子的有序產(chǎn)生和電流驅(qū)動斯格明子無SkHE運動仍然具有挑戰(zhàn)性。

圖2 SAW誘導(dǎo)的斯格明子有序產(chǎn)生及運動

通過將具有一定面外磁各向異性的[Co/Pd]多層薄膜嵌入到SAW延遲線中，他們施加交變電壓激發(fā)了縱漏波（LLSAW）（圖2a）。LLSAW的激發(fā)相比于常規(guī)的SAW具有更顯著的熱效應(yīng)，有利于斯格明子的產(chǎn)生，同時也能產(chǎn)生較大的應(yīng)變。在LLSAW的作用下，他們觀察到磁疇沿著垂直于聲波的傳播方向形核，逐漸演變成較密的迷宮疇，并在面外磁場和熱的共同作用下分裂為單個的磁性斯格明子。這些斯格明子沿著垂直于聲波的傳播方向有序排列且保持穩(wěn)定（圖2b），即在實驗上實現(xiàn)了斯格明子的有序產(chǎn)生，這來源于SAW作用下體系能量的重新分布。在電流驅(qū)動斯格明子的運動過程中，LLSAW的加入有效地抑制了SkHE所引起的斯格明子橫向偏移，斯格明子霍爾角減小了80%（圖2c-2d），這為操控斯格明子提供了一種全新的手段，有望驅(qū)動基于斯格明子的信息器件的新進展。相關(guān)工作以“Ordered creation and motion of skyrmions with surface acoustic wave”為題，發(fā)表于《自然·通訊》。

兩篇論文的通訊作者均為清華大學(xué)宋成教授，主要作者為潘峰教授、課題組的博士生陳崇、陳如意、韓磊、劉培森和蘇榮宣，以及博士畢業(yè)生傅肅磊。該研究受到國家重點研發(fā)計劃、國家基金委杰出青年科學(xué)基金和“二維磁性及拓撲自旋物態(tài)”專項項目，以及北京市杰出青年科學(xué)基金資助。

面向高頻移動通訊與高速、高密度信息存儲的國家重大需求，潘峰-宋成研究團隊長期從事聲表面波濾波器和自旋電子學(xué)材料研究。研制出系列“高頻率、大帶寬、高功率、低損耗”聲表面波濾波器，也是國際上較早開展反鐵磁自旋電子學(xué)研究的團隊之一，在Nature Materials和Nature Electronics等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，先后四次獲得國家科技獎勵。最近通過學(xué)科交叉，將自旋電子學(xué)材料與聲表面波器件二者結(jié)合，探索自旋與聲子耦合帶來的新奇物理現(xiàn)象，并研制傳感、存儲和通訊用磁聲耦合器件。

審核編輯：彭菁