量子鑽石原子力顯微鏡在斯格明子研究中的應用

你能想象米粒大小的膝上型電腦硬碟嗎？

一種磁性領域的神秘準粒子結構——斯格明子（Skyrmion）可以讓這個看似不可思議的想法成為現實，而且這顆“米粒”儲存空間更大、資料傳輸速率更快。那麼科學家是如何觀測這種奇特的粒子結構呢？基於NV色心和AFM掃描成像技術的量子鑽石原子力顯微鏡將告訴你答案。

什麼是斯格明子？

隨著大規模積體電路快速發展，晶片製程工藝進入奈米尺度，量子效應逐漸凸顯，“摩爾定律”遇到了物理極限。同時，在晶片上如此高密度的整合電子元器件，讓熱耗散問題成為巨大挑戰。人們亟需一種全新的技術突破瓶頸，推動積體電路的持續發展。

自旋電子學器件利用電子的自旋屬性可實現更高效率的資訊儲存、傳遞和處理，是突破上述困境的重要方法。近年來，磁結構中的拓撲屬性及其相關應用有望成為下一代自旋電子器件的資訊載體，是目前該領域的研究熱點之一。

斯格明子（後文均指磁斯格明子）是一種具有準粒子特性並且受拓撲保護的自旋結構，作為一種特殊的磁疇壁，其結構是一種具有渦旋的磁化分佈。與磁疇壁類似，斯格明子也存在磁矩的翻轉，而與疇壁不同的地方在於，斯格明子是渦旋結構，它的磁矩翻轉是由中心向外，常見的有布洛赫型斯格明子和奈爾型斯格明子。

圖1 斯格明子結構示意圖。

（a）奈爾型斯格明子（b）布洛赫型斯格明子

斯格明子是一種天然的資訊載體，它具有易操控、易穩定、尺寸小、驅動速度快等優越的性質，所以基於斯格明子的電子學器件有望滿足人們對未來器件非易失、高容量、高速度、低功耗等方面的效能要求。

斯格明子有哪些應用？

斯格明子賽道儲存

最初賽道儲存以奈米線作為儲存賽道，磁疇壁充當資訊載體，透過電流來驅動磁疇壁的運動。2013年，研究者提出了斯格明子賽道儲存器，用斯格明子取代磁疇壁充當資訊載體的賽道儲存具有更大的發展前景。相較於磁疇壁的驅動電流密度，斯格明子要小5-6個數量級，這可以帶來更低的能耗和發熱量。透過將斯格明子進行壓縮，相鄰斯格明子間的距離和斯格明子直徑可以處於同一數量級，這可以帶來更高的儲存密度。

圖2 基於斯格明子的儲存器

斯格明子電晶體

斯格明子也可以用於電晶體方向，開拓半導體發展新思路。如圖3所示，在器件的一端利用MTJ（磁隧道結）產生斯格明子，隨後使用自旋極化電流來驅動斯格明子向器件另一端運動。為實現電晶體的開關狀態切換，在器件的中間安裝一個門極。透過向門極施加電壓，產生電場，可以改變材料的垂直磁各向異性，從而控制斯格明子的通斷。當不施加電壓的情況下，斯格明子可以透過門極，來到器件的另一端，這種狀態定義為開態；當施加外電場時，斯格明子不透過門極，這種狀態定義為關態。

圖3 基於斯格明子的電晶體

斯格明子的非常規計算器件

相比傳統的計算單元，神經形態計算單在元神經網路方面，具有低功耗、規模大的運算優勢。想要製造神經形態計算單元需滿足：奈米級尺寸、非易失性、低功耗等要求。斯格明子為這樣的器件帶來了新的可能，斯格明子具有可控的機動性，可以很好地模擬生物神經，同時，斯格明子可以更輕易地擺脫雜質的釘扎效應，這使得它具有更好的穩健性。

圖4 （a） 基於斯格明子的神經計算器件 （b） 基於斯格明子的隨機計算器件

斯格明子也可以用於隨機計算器件。主流計算技術編碼為常規二進位制格式的數值，而隨機計算可以連續地處理隨機的位元流。常規的半導體電路利用偽隨機數字生成器和移位暫存器相結合生成訊號，存在硬體成本高、能效低的缺點。研究人員最近在理論和實驗上發現了熱誘導產生的斯格明子，這為基於斯格明子的隨機計算裝置提供了基礎。

量子鑽石原子力顯微鏡在斯格明子研究中的應用案例

斯格明子的研究離不開合適的觀測技術，實空間中觀測斯格明子通常使用一下技術手段：洛倫茲透射電子顯微鏡（LTEM），原理是利用電子束穿透樣品，記錄電子受到的洛倫茲力；磁力顯微鏡（MFM），使用磁性針尖，利用原子力顯微鏡技術記錄樣品表面磁場作用力；Ｘ射線顯微鏡，原理是Ｘ射線的吸收率能夠反映樣品的磁場；磁光克爾顯微鏡（Moke），利用磁光克爾效應測量磁化分佈。這些觀測手段都存在自己的侷限性，例如LTEM對樣品尺寸要求苛刻，Moke空間解析度不高，MFM針尖的磁性會影響斯格明子的成像。

近年來金剛石中存在一種特殊的缺陷結構—氮空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心吸引了廣大研究人員的關注。透過微波與鐳射對NV色心電子自旋所處量子態實行操縱與讀出，可以獲得對應NV軸向上磁場分量的強度。

NV掃描探針顯微鏡就是將金剛石中的NV色心整合到AFM探針尖端，結合AFM掃描技術，可以獲得樣品表面的磁疇結果，

其優點在於擁有極高的靈敏度（

1 uT/Hz1/2

）、空間解析度（

10 nm

）和非侵入性。

NV掃描探針顯微鏡被用於研究各種感興趣的磁性結構，例如掃描磁渦旋雜散場，能夠確定磁渦旋核心的極性和手性；測量磁疇壁的構型並且觀察調控下的磁疇壁動力學。

研究新材料，製備室溫下零場穩定存在、體積小且易操控的斯格明子是科研人員的目標。而NV掃描探針顯微鏡很適合在室溫下對斯格明子高分辨定量磁成像。

目前，NV掃描探針顯微鏡在研究斯格明子的磁化結構和相關的物理過程已頗有建樹。例如：

1）根據斯格明子的雜散場分佈，重構磁化結構。

圖5 NV掃描探針顯微鏡解析斯格明子磁結構（Scale bar：500 nm）

1）根據斯格明子的雜散場分佈，重構磁化結構。

圖6 NV掃描探針顯微鏡用於研究斯格明子形態

2）研究斯格明子的結構形態。例如，Jacques組研究了Pt/FM/Au/FM/Pt鐵磁多層膜中斯格明子形態。

圖7 NV掃描探針顯微鏡用於研究外磁場下的斯格明子

3）觀察斯格明子的本徵動力學演化。例如，Ania組研究了在外磁場變化下Ta/CoFeB/MgO體系中斯格明子的演化。

圖8 NV掃描探針顯微鏡用於研究電流驅動斯格明子的動力學

目前，國儀量子已推出商用NV掃描探針顯微鏡—量子鑽石原子力顯微鏡（Quantum diamond atomic force microscope， QDAFM），具有非侵入性、可覆蓋寬溫區、大磁場測量範圍等獨到優勢。可應用於二維材料磁成像、奈米電流成像、超導渦旋磁成像、細胞磁成像，在量子科學、化學與材料科學以及生物和醫療等研究領域有著廣泛的應用前景。

國儀量子推出的量子鑽石原子力顯微鏡

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