Thermal generation, manipulation and thermoelectric detection of skyrmions

近日，清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室/量子信息前沿科学中心江万军课题组研究报道了纳米级斯格明子（skyrmion）从金属多层膜和微加热器的集成器件上的产生、操作和热电检测。该研究以“Thermal generation, manipulation and thermoelectricdetection of skyrmions”为题发表在《Nature Electronics》上。

清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室/量子信息前沿科学中心江万军教授与美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室Shi-Zeng Lin为本文共同的通讯作者。该文章的共同第一作者包括清华大学物理系王子东博士，清华大学微电子系郭明华博士，清华大学物理系博士后周恒安和2018级博士生赵乐。

▲论文作者与摘要

磁性斯格明子是一种微纳米级的拓扑自旋结构，它的高效产生、操作和探测对未来自旋电子器件的发展具有重要意义。通过原位局部加热，该研究发现斯格明子可以从磁畴形态转变和器件边缘处形成。该研究还观察到了斯格明子从热区到冷区的单向扩散，研究表明这是由于斯格明子间的排斥力、热自旋轨道力矩、磁振子自旋力矩和熵的等效力共同作用的结果。该集成器件还可以用来开展原位热电测量，探测单个斯格明子。

该课题组设计的集成器件采用了原位芯片（YW MEMS (Suzhou) Co., Ltd）自主研发生产的氮化硅薄膜作为衬底。原位芯片生产的氮化硅膜最薄可至10 nm，在保证超平整、超洁净的质量要求前提下，同时具有良好的机械强度，耐高温特性以及表面导热性。该研究正是利用了氮化硅膜的这些优良特性，通过在薄膜表面进行二次加工，做出薄膜金属电阻和具有垂直各向异性磁性多层膜，进行了热诱导产生斯格明子的实验。

▲原位芯片为该研究的实验部分提供氮化硅膜

此外，原位芯片为该研究的仿真工作提供了可靠的氮化硅薄膜材料参数，使仿真结果更加贴近实验数据。

▲用于产生skyrmions的氮化硅薄膜集成加热器件

▲热诱导产生skyrmions的实验过程

（左上）实验器件照片及脉冲热流施加方法的示意；（左下）利用软X射线全场透射式显微镜对矩形磁纳米结构的成像结果。随着电阻丝中脉冲电压的增大，发热温度升高，更多的斯格明子可以通过从样品热端缺陷处和条纹畴的拓扑形变中产生，并伴随着向冷端单向扩散。（右）为随时间演化的反常能斯特测量结果，从中可以看到单个斯格明子的湮灭产生约90 nV的反常能斯特电压信号。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-020-00489-2