低於100 奈米！陸成功製備最小尺寸斯格明子賽道器件單元

陸科學家制備最小尺寸斯格明子賽道器件單元。圖爲單個80 nm磁斯格明子在100 nm賽道中的一維、穩定、高速運動。（安徽大學）

安徽大學網站7月16日消息，近期，安徽大學新型拓樸磁性材料與記憶體件杜海峰團隊，利用聚焦離子束微奈器件製備技術，製備出了世界上最小尺寸的斯格明子賽道器件單元（賽道寬度：100 nm），結合高時空分辨原位洛倫茲電鏡技術，實現了奈秒電脈衝驅動下，100 nm寬度賽道中80 nm磁斯格明子一維、穩定、高效的運動，爲構築高密度、高速度、可靠的新型拓樸磁電子學器件提供了重要支撐。相關研究成果以、〈80 nm 斯格明子在100 nm賽道中的穩定運動〉爲題發表在《自然-通訊》上（Doi：10.1038／s41467-024-49976-6）。

安徽大學物質科學與資訊技術研究院教授宋東昇爲論文第一作者，雙聘教授杜海峰爲通訊作者，強磁場科學中心博士張水森和研究員劉藝舟，華南理工大學教授鄭風珊，德國於利希研究中心教授Rafal E. Dunin-Borkowski，美國新罕布什爾大學臧家棟，安徽大學物科院教授王偉偉和物理與光電工程學院教授田明亮爲論文重要合作者。

2009年，德國科學家在一類手性金屬磁性材料中，發現一種具有非平庸拓樸特性的磁結構，稱之爲磁斯格明子。其具有尺寸小、穩定性高、電流易操控等優點，有望作爲下一代數據載體，用於構築新型的磁電子學器件。實現電流驅動下磁斯格明子在奈米賽道中穩定、可控的運動，是器件構築中最核心的問題之一。

然而，在過去15年研究中，有兩個關鍵問題仍未得到有效解決：（1）器件特徵尺寸太大，目前實驗上展示的最小條帶寬度大於400 nm，不符合器件的高密度要求；（2）斯格明子霍爾效應：磁斯格明子由於其自身獨特的拓樸屬性，在運動過程中產生偏轉，這會導致其運動軌跡不可控，並且容易在賽道邊界消失，是器件構築的重要障礙。

針對這兩個問題，杜海峰團隊發展了器件結構單元聚焦離子束加工製備技術，設計製備出厚度均勻、邊界／表面平整、非晶層厚度小於2 nm的高品質FeGe奈米條帶（長度：10 μm；寬度：100 nm），爲寬度目前報導的最小尺寸；研製了透射電鏡原位加電晶片，擴展了洛倫茲透射電鏡原位加電功能。

通過控制電流脈衝寬度及電流密度，利用賽道邊界的邊緣態磁結構穩定斯格明子運動，實現了單個80 nm大小的磁斯格明子在100 nm FeGe賽道中的一維、穩定運動。實驗實現：器件特徵尺寸約100 nm；最小有效電流脈衝寬度2 ns；最大運動速度接近100 m／s；斯格明子霍爾角爲0°。這些結果展示了奈米賽道中磁斯格明子高速、穩定的運動特性，爲基於磁斯格明子器件的構築奠定了基礎。