基于磁弹耦合有效场的SAW驱动FMR模型建立

信息技术的高速发展带来了现在的大数据时代，数据呈爆炸式增长。海量的数据要求微电子器件具有高速、高密度、低功耗、非易失性等性能。近年来传统的微电子器件在微缩的过程中已经接近摩尔定律的极限。鉴于此，人们逐渐意识到可以将电子的自旋属性引入到传统的微电子器件中，自旋电子学便应运而生。自旋电子学的核心工作是实现自旋流的产生、输运、操控和探测，这些目标可以通过自旋与多种外场的相互作用来实现。目前人们广泛使用磁场、电场、电流、应变、光和热来操控磁性和上述自旋现象。基于与这些外场的相互作用，已经开发出多种用途广泛的自旋电子学器件，如在嵌入式存储领域广泛应用的磁随机存储器。声表面波（SAW）是一种在固体表面传播的声波，基于SAW的射频滤波器因其体积小、成本低、性能稳定等优点，已成为手机射频前端模块中用于滤除带外干扰和噪声的关键器件，被广泛地应用于无线移动通讯等领域。SAW的产生与探测非常简便，在压电材料的叉指换能器上施加交变的电压信号，即可通过压电效应激发声表面波，传播一段距离后再通过逆压电效应对其进行探测。

除了上述有重要价值的实际应用之外，SAW也为材料基础研究提供了广阔的平台。通过学科交叉融合，将自旋电子学材料集成到SAW器件中来实现SAW与自旋电子学材料的相互作用，已经被广泛关注。一方面，SAW可以多维度有效调控自旋电子学器件的属性。利用声学谐振腔的设计，SAW在传播过程中可携带长程传输的相干声子，为研究微观的自旋-声子耦合提供了一个全新的平台。另外应变作为一种有效的物性调控手段，已在自旋电子学领域有着广泛的应用，通过逆磁致伸缩效应就可实现应变对磁性或自旋现象的直接操控。而SAW本质上是一种高频交变的应变声波（数GHz），与铁磁材料的本征进动频率在同一频段，将有望相比于传统的静态应变对磁化动力学行为有更加显著和新奇的影响，进而更加有效地操控磁性和自旋。回过头来，磁性材料的集成对于SAW器件的参数也有显著影响，可通过易于操纵的磁性来调控SAW的传播特性，包括实现声波的非互易传播、磁调控声波的幅值、相速度等，这为隔离器、环形器、磁电天线和磁传感器等新型器件的设计和调控模式提供了一条全新的思路。

SAW驱动的铁磁共振（FMR）对于实现磁声耦合至关重要，是实现对磁性和自旋流的高效声学调控的关键。目前，基于磁弹耦合有效场的SAW驱动FMR模型已经建立，该有效场与磁弹耦合系数和应变成正比，被广泛用来解释声控磁性现象。研究者们已经开发出多种技术手段来研究磁弹耦合有效场，包括矢量网络分析仪、磁光方法、NV色心、微聚焦布里渊光散射和X射线磁圆二色-光发射电子显微镜。然而这些方法需要复杂的分析过程和成本高昂的设备，这严重阻碍了其广泛应用，并且与现代微电子工艺不兼容。清华大学材料学院潘峰-宋成团队从自旋力矩-FMR的测试得到灵感，自旋流的有效场作用由磁弹耦合有效场代替。通过将磁性探测条与SAW延迟线集成起来，实现了基于电学整流的SAW驱动FMR的直流电检测（图1a）。他们开发出一套定量描述SAW驱动FMR产生整流电压的模型，通过分析整流电压提取对称线型和反对称线型（图1b），可以直接表征和计算磁弹耦合有效场，对声控磁化动力学有了更深入的理解。这种直流电检测手段表现出更好的器件集成兼容性和更低的成本。另外，获得了较大的非互易整流电压（正负磁场下的电压幅值不对称），这归因于面内和面外磁弹耦合有效场的共存（图1c）。面内和面外有效场的大小可以通过控制磁性薄膜内的纵向应变和剪切应变来大幅调节，以实现几乎100%的非互易整流信号。这个发现为可设计的磁声耦合器件及其简便的信号读出提供了独特的机会。相关工作以“Direct-Current Electrical Detection of Surface-Acoustic-Wave-Driven Ferromagnetic Resonance”为题，发表于《先进材料》。

图1 声学铁磁共振的电学检测

基于上述声控磁化动力学的研究，团队利用磁光克尔显微镜这种磁畴成像手段原位表征了SAW驱动下磁性薄膜的磁化过程和磁畴演化规律，观测到SAW对磁性薄膜中的磁畴形态、形核方向有着显著的影响。与磁畴类似，磁性斯格明子也是磁性材料中的一类磁织构，但不同之处在于斯格明子具有非平庸的拓扑性质，出现在具有空间反演对称性破缺的磁性体系中。斯格明子的尺寸可以小至几纳米，类似于一个“准粒子”，可以被产生、移动和湮灭。因其拓扑非平庸和准粒子的特性，斯格明子在各种自旋电子学应用中显示出前所未有的潜力，尤其是在新一代信息存储和逻辑技术中，例如斯格明子赛道存储器和基于斯格明子的自旋逻辑器件。这些实际应用的前提都是斯格明子能以低功耗的方式被产生和有效操控，特别是抑制斯格明子霍尔效应（SkHE）的出现，即斯格明子在纵向运动过程中产生横向偏转。尽管SkHE的减弱最近在亚铁磁和人工反铁磁体系中取得了一定进展，但铁磁体中斯格明子的有序产生和电流驱动斯格明子无SkHE运动仍然具有挑战性。

图2 SAW诱导的斯格明子有序产生及运动

通过将具有一定面外磁各向异性的[Co/Pd]多层薄膜嵌入到SAW延迟线中，他们施加交变电压激发了纵漏波（LLSAW）（图2a）。LLSAW的激发相比于常规的SAW具有更显著的热效应，有利于斯格明子的产生，同时也能产生较大的应变。在LLSAW的作用下，他们观察到磁畴沿着垂直于声波的传播方向形核，逐渐演变成较密的迷宫畴，并在面外磁场和热的共同作用下分裂为单个的磁性斯格明子。这些斯格明子沿着垂直于声波的传播方向有序排列且保持稳定（图2b），即在实验上实现了斯格明子的有序产生，这来源于SAW作用下体系能量的重新分布。在电流驱动斯格明子的运动过程中，LLSAW的加入有效地抑制了SkHE所引起的斯格明子横向偏移，斯格明子霍尔角减小了80%（图2c-2d），这为操控斯格明子提供了一种全新的手段，有望驱动基于斯格明子的信息器件的新进展。相关工作以“Ordered creation and motion of skyrmions with surface acoustic wave”为题，发表于《自然·通讯》。

两篇论文的通讯作者均为清华大学宋成教授，主要作者为潘峰教授、课题组的博士生陈崇、陈如意、韩磊、刘培森和苏荣宣，以及博士毕业生傅肃磊。该研究受到国家重点研发计划、国家基金委杰出青年科学基金和“二维磁性及拓扑自旋物态”专项项目，以及北京市杰出青年科学基金资助。

面向高频移动通讯与高速、高密度信息存储的国家重大需求，潘峰-宋成研究团队长期从事声表面波滤波器和自旋电子学材料研究。研制出系列“高频率、大带宽、高功率、低损耗”声表面波滤波器，也是国际上较早开展反铁磁自旋电子学研究的团队之一，在Nature Materials和Nature Electronics等期刊发表学术论文300余篇，先后四次获得国家科技奖励。最近通过学科交叉，将自旋电子学材料与声表面波器件二者结合，探索自旋与声子耦合带来的新奇物理现象，并研制传感、存储和通讯用磁声耦合器件。

审核编辑：彭菁