基于磁彈耦合有效場的SAW驅動FMR模型建立

信息技術的高速發展帶來了現在的大數據時代，數據呈爆炸式增長。海量的數據要求微電子器件具有高速、高密度、低功耗、非易失性等性能。近年來傳統的微電子器件在微縮的過程中已經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的微電子器件中，自旋電子學便應運而生。自旋電子學的核心工作是實現自旋流的產生、輸運、操控和探測，這些目標可以通過自旋與多種外場的相互作用來實現。目前人們廣泛使用磁場、電場、電流、應變、光和熱來操控磁性和上述自旋現象?；谂c這些外場的相互作用，已經開發出多種用途廣泛的自旋電子學器件，如在嵌入式存儲領域廣泛應用的磁隨機存儲器。聲表面波（SAW）是一種在固體表面傳播的聲波，基于SAW的射頻濾波器因其體積小、成本低、性能穩定等優點，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鍵器件，被廣泛地應用于無線移動通訊等領域。SAW的產生與探測非常簡便，在壓電材料的叉指換能器上施加交變的電壓信號，即可通過壓電效應激發聲表面波，傳播一段距離后再通過逆壓電效應對其進行探測。

除了上述有重要價值的實際應用之外，SAW也為材料基礎研究提供了廣闊的平臺。通過學科交叉融合，將自旋電子學材料集成到SAW器件中來實現SAW與自旋電子學材料的相互作用，已經被廣泛關注。一方面，SAW可以多維度有效調控自旋電子學器件的屬性。利用聲學諧振腔的設計，SAW在傳播過程中可攜帶長程傳輸的相干聲子，為研究微觀的自旋-聲子耦合提供了一個全新的平臺。另外應變作為一種有效的物性調控手段，已在自旋電子學領域有著廣泛的應用，通過逆磁致伸縮效應就可實現應變對磁性或自旋現象的直接操控。而SAW本質上是一種高頻交變的應變聲波（數GHz），與鐵磁材料的本征進動頻率在同一頻段，將有望相比于傳統的靜態應變對磁化動力學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器件的參數也有顯著影響，可通過易于操縱的磁性來調控SAW的傳播特性，包括實現聲波的非互易傳播、磁調控聲波的幅值、相速度等，這為隔離器、環形器、磁電天線和磁傳感器等新型器件的設計和調控模式提供了一條全新的思路。

SAW驅動的鐵磁共振（FMR）對于實現磁聲耦合至關重要，是實現對磁性和自旋流的高效聲學調控的關鍵。目前，基于磁彈耦合有效場的SAW驅動FMR模型已經建立，該有效場與磁彈耦合系數和應變成正比，被廣泛用來解釋聲控磁性現象。研究者們已經開發出多種技術手段來研究磁彈耦合有效場，包括矢量網絡分析儀、磁光方法、NV色心、微聚焦布里淵光散射和X射線磁圓二色-光發射電子顯微鏡。然而這些方法需要復雜的分析過程和成本高昂的設備，這嚴重阻礙了其廣泛應用，并且與現代微電子工藝不兼容。清華大學材料學院潘峰-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，實現了基于電學整流的SAW驅動FMR的直流電檢測（圖1a）。他們開發出一套定量描述SAW驅動FMR產生整流電壓的模型，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，對聲控磁化動力學有了更深入的理解。這種直流電檢測手段表現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），這歸因于面內和面外磁彈耦合有效場的共存（圖1c）。面內和面外有效場的大小可以通過控制磁性薄膜內的縱向應變和剪切應變來大幅調節，以實現幾乎100%的非互易整流信號。這個發現為可設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。相關工作以“Direct-Current Electrical Detection of Surface-Acoustic-Wave-Driven Ferromagnetic Resonance”為題，發表于《先進材料》。

圖1 聲學鐵磁共振的電學檢測

基于上述聲控磁化動力學的研究，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驅動下磁性薄膜的磁化過程和磁疇演化規律，觀測到SAW對磁性薄膜中的磁疇形態、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，但不同之處在于斯格明子具有非平庸的拓撲性質，出現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“準粒子”，可以被產生、移動和湮滅。因其拓撲非平庸和準粒子的特性，斯格明子在各種自旋電子學應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。這些實際應用的前提都是斯格明子能以低功耗的方式被產生和有效操控，特別是抑制斯格明子霍爾效應（SkHE）的出現，即斯格明子在縱向運動過程中產生橫向偏轉。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生和電流驅動斯格明子無SkHE運動仍然具有挑戰性。

圖2 SAW誘導的斯格明子有序產生及運動

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了縱漏波（LLSAW）（圖2a）。LLSAW的激發相比于常規的SAW具有更顯著的熱效應，有利于斯格明子的產生，同時也能產生較大的應變。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定（圖2b），即在實驗上實現了斯格明子的有序產生，這來源于SAW作用下體系能量的重新分布。在電流驅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，有望驅動基于斯格明子的信息器件的新進展。相關工作以“Ordered creation and motion of skyrmions with surface acoustic wave”為題，發表于《自然·通訊》。

兩篇論文的通訊作者均為清華大學宋成教授，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，以及博士畢業生傅肅磊。該研究受到國家重點研發計劃、國家基金委杰出青年科學基金和“二維磁性及拓撲自旋物態”專項項目，以及北京市杰出青年科學基金資助。

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研究的團隊之一，在Nature Materials和Nature Electronics等期刊發表學術論文300余篇，先后四次獲得國家科技獎勵。最近通過學科交叉，將自旋電子學材料與聲表面波器件二者結合，探索自旋與聲子耦合帶來的新奇物理現象，并研制傳感、存儲和通訊用磁聲耦合器件。

審核編輯：彭菁