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安徽大學物質科學與信息技術研究院在磁性材料與存儲器件研究取得重要進展
近期，安徽大學新型磁性材料與存儲器件研究團隊利用聚焦離子束微納器件製備和原位洛倫茲電鏡表征技術，首次實現了納米條帶存儲器件結構單元中電流誘導磁斯格明子（skyrmion）的寫入、刪除及尋址一體化精準操控，為構築拓撲磁性存儲器提供了原理性支撐。相關研究成果以“Electrical manipulation of skyrmions in a chiral magnet”為題發表在《Nature communications》上，安徽大學為第一通訊單位，安徽大學物質科學與信息技術研究院王偉偉副教授為論文第一作者，物質科學與信息技術研究院宋東升教授、雙聘教授杜海峰研究員、美國新罕布什爾大學臧家棟教授為論文共同通訊作者，物質科學與信息技術研究院電鏡中心葛炳輝教授和物理與光電工程學院田明亮教授為論文的合作者。
信息存儲是當前大數據技術、人工智能、5G通訊的基石，是大國科技競爭的焦點、國家戰略部署的核心技術之一。磁性材料儲存了全球約70%的數據，是信息戰中的關鍵材料。但傳統的磁存儲技術由於現有磁性材料的超順磁極限等限製，已經趨於密度和速度極限。尋找新型磁性材料以構築高性能磁存儲器已經發展成國家信息材料領域的重大需求。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撲特性的磁結構，稱之為磁斯格明子。其具有尺寸小、穩定性高、電流易操控等優點，有望作為下一代數據載體，構築突破傳統磁存儲技術限製的磁電子學器件。
磁斯格明子存儲器的設計方案早在2013年就已被提出，但在實驗上遇到了極大挑戰。其關鍵在於器件設計要在納米條帶邊緣製備一個與單個磁斯格明子大小和形狀均可比擬的幾何缺口，以實現拓撲磁存儲的寫入和擦除功能。然而，利用傳統技術製備的納米條帶厚度和形狀不均勻，導致驅動磁斯格明子運動所需電流密度大且不均勻，會產生高的焦耳熱效應，導致磁斯格明子可控性差。同時，用傳統技術製備出的缺口特征尺寸在微米量級，遠大於理論設計尺寸，使得磁斯格明子產生極不可控。以上原因導致在一個納米器件結構單元中同時實現數據的寫、擦除及尋址三個功能一直無法實現。
針對這些問題，研發團隊設計並研製出易於精細加工納米微結構的透射電鏡原位加電芯片，擴展了洛倫茲透射電鏡原位加電功能。同時，基於前期聚焦離子束樣品製備技術的積累，製備出厚度均勻、表麵平整的器件CoZnMn納米結構單元，並控製邊緣缺口的尺寸（~ 280 nm）和CoZnMn中單個磁斯格明子大小可比擬（~ 110 nm），實現了電流脈衝誘導的磁斯格明子產生和寫入。通過控製脈衝的寬度及電流密度實現了產生磁斯格明子的步進運動尋址。實驗還發現可以通過控製電流脈衝方向，利用邊緣缺口消除斯格明子，最終在一個器件結構單元中實現了磁斯格明子產生、擦除和驅動運動一體化電操控，展示了原理性器件寫、擦除和尋址功能。實驗發現：寫入電流密度最低為 ~3.5×1010A/m2、擦除電流密度最低為 ~1.2×1010A/m2、尋址電流密度最低為 ~0.5×1010A/m2。這些值比操控傳統磁疇所需的納米脈衝電流密度低1-2個數量級，展示了磁斯格明子賽道原理性存儲器的低能耗優勢。
磁斯格明子產生、運動及消除一體化電操控
（來源：安徽大學）
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