前沿| Nat. Commun.：声波驱动磁斯格明子

声表面波传播距离远，其作为一种非接触式的操控技术已广泛应用于细胞、微粒、电子的调控研究。声表面波驱动斯格明子的优势在于用声波替代电流驱动斯格明子，不会在磁薄膜上流通电流，避免了在磁薄膜上产生焦耳热，防止焦耳热破坏斯格明子的稳定性，具有在磁性拓扑绝缘体材料中驱动斯格明子的潜力，可用于基于磁性拓扑绝缘体的低功耗斯格明子自旋电子器件；声表面波作用面积广，可作用于任意形状的磁薄膜结构中，可同时对大面积内的多个斯格明子进行驱动，并且声镊技术具有精确操控斯格明子的潜力，具有更大的灵活操控特点。

近日，《自然·通讯》（Nature Communications）刊发了清华大学集成电路学院南天翔课题组题为《声波驱动磁斯格明子》（Acoustic-driven magnetic skyrmion motion）的论文。本工作研究发现通过设计片上压电换能器产生声表面波可以驱动Ta/CoFeB/MgO/Ta多层薄膜中的斯格明子定向移动。研究发现，水平剪切波能有效地驱动斯格明子的移动。同时观察到斯格明子沿声表面波传播方向的纵向运动和由拓扑电荷引起的横向运动，并通过微磁学仿真模拟进一步验证了这一现象。这项工作表明，声波可能是另一种有前景的操纵斯格明子的方法，这可能为低功耗斯格明子器件提供新的技术方案。

图1为器件结构示意图。在压电铌酸锂基底上制备了不同方向的叉指换能器，可以分别产生瑞利波模式的声表面波和水平剪切波(SH)模式的声表面波，Ta/CoFeB/MgO/Ta多层薄膜位于声表面波传播路径的中间。声表面波可以产生纵向、剪切、垂直等多种应变分量，不同的声表面波模式的主应变分量不同，从而通过磁弹耦合效应产生的磁弹有效场的矢量分量各不相同，产生对称或非对称的磁弹性能密度分布，改变斯格明子的总能量密度分布，从而影响斯格明子的动力学行为。在实验中通过施加一定功率的声波脉冲，发现水平剪切波模式的声表面波可以驱动斯格明子移动。在瑞利波作用下，斯格明子的能量密度分布近似为各向同性，而在水平剪切波作用下，斯格明子的能量密度分布呈现非对称分布。

图1. 器件结构示意图和声表面波作用下斯格明明子的能量密度分布

在0磁场下，磁薄膜呈现迷宫畴分布，随后施加一定磁场，通过激励声波脉冲产生斯格明子，如图2所示。在Ta/CoFeB/MgO/Ta多层薄膜中，瑞利波和水平剪切波产生的斯格明子尺寸近似为1 μm，当声波功率超过20 dBm后，水平剪切波产生的斯格明子数量多于瑞利波，可见在此器件结构上，水平剪切波产生的面内剪切应变产生的磁弹性能更好，可以更高效的和斯格明子进行磁弹耦合。

图2. 声表面波产生的斯格明子

图3为施加声波后斯格明子的位置变化。斯格明子在移动的同时会存在一定角度的偏转，其偏转方向与斯格明子拓扑电荷的符号有关。当水平剪切波作用在斯格明子上时，会对斯格明子产生沿x方向和y方向的有效弹性力。斯格明子的偏转角度与磁薄膜的阻尼系数和声波作用在斯格明子上的x方向和y方向的有效弹性力的比值有关。实验发现减小声波波长和增大声波功率有助于提高斯格明子的移动距离。利用锁相红外技术对声波驱动斯格明子时进行红外成像，发现激励声波时在磁薄膜上产生的热梯度远低于热影响斯格明子所需的热梯度，避免了热量的影响。此外，可以通过采用更高磁弹性耦合且阻尼和损耗更小的材料来进一步提高声波驱动斯格明子移动的效率，降低功耗。并且基于声波对斯格明子的弹性力影响斯格明子移动时的偏转角度的特点，采用声镊技术有望可以实现高精度的斯格明子移动轨迹控制。

图3. a. 磁光克尔显微镜下的斯格明子。b. 斯格明子的偏转角度。

清华大学集成电路学院南天翔副教授和物理系江万军教授为论文共同通讯作者，合作者包括清华大学材料学院易迪副教授，集成电路学院吴华强教授、唐建石副教授，物理系于浦教授，中国科学技术大学侯达之教授等。