安徽大学成功制备最小尺寸斯格明子赛道器件单元

安徽大学网站7月16日消息，近期，安徽大学新型拓朴磁性材料与内存件杜海峰团队，利用聚焦离子束微奈器件制备技术，制备出了世界上最小尺寸的斯格明子赛道器件单元（赛道宽度：100 nm），结合高时空分辨原位洛兰兹电镜技术，实现了奈秒电脉冲驱动下，100 nm宽度赛道中80 nm磁斯格明子一维、稳定、高效的运动，为构筑高密度、高速度、可靠的新型拓朴磁电子学器件提供了重要支撑。相关研究成果以、〈80 nm 斯格明子在100 nm赛道中的稳定运动〉为题发表在《自然-通讯》上（Doi：10.1038／s41467-024-49976-6）。

安徽大学物质科学与信息技术研究院教授宋东升为论文第一作者，双聘教授杜海峰为通讯作者，强磁场科学中心博士张水森和研究员刘艺舟，华南理工大学教授郑风珊，德国于利希研究中心教授Rafal E. Dunin-Borkowski，美国新罕不什尔大学臧家栋，安徽大学物科院教授王伟伟和物理与光电工程学院教授田明亮为论文重要合作者。

2009年，德国科学家在一类手性金属磁性材料中，发现一种具有非平庸拓朴特性的磁结构，称之为磁斯格明子。其具有尺寸小、稳定性高、电流易操控等优点，有望作为下一代数据载体，用于构筑新型的磁电子学器件。实现电流驱动下磁斯格明子在纳米赛道中稳定、可控的运动，是器件构筑中最核心的问题之一。

然而，在过去15年研究中，有两个关键问题仍未得到有效解决：（1）器件特征尺寸太大，目前实验上展示的最小条带宽度大于400 nm，不符合器件的高密度要求；（2）斯格明子霍尔效应：磁斯格明子由于其自身独特的拓朴属性，在运动过程中产生偏转，这会导致其运动轨迹不可控，并且容易在赛道边界消失，是器件构筑的重要障碍。

针对这两个问题，杜海峰团队发展了器件结构单元聚焦离子束加工制备技术，设计制备出厚度均匀、边界／表面平整、非晶层厚度小于2 nm的高质量FeGe纳米条带（长度：10 μm；宽度：100 nm），为宽度目前报导的最小尺寸；研制了透射电镜原位加电芯片，扩展了洛兰兹透射电镜原位加电功能。

通过控制电流脉冲宽度及电流密度，利用赛道边界的边缘态磁结构稳定斯格明子运动，实现了单个80 nm大小的磁斯格明子在100 nm FeGe赛道中的一维、稳定运动。实验实现：器件特征尺寸约100 nm；最小有效电流脉冲宽度2 ns；最大运动速度接近100 m／s；斯格明子霍尔角为0°。这些结果展示了纳米赛道中磁斯格明子高速、稳定的运动特性，为基于磁斯格明子器件的构筑奠定了基础。