这篇nature，纳米级的新前沿！
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鉴于纳米技术和自旋电子学的不断发展，磁性隧道结（mtjs）等磁性纳米器件引起了广泛关注。mtjs是两端设备，其电阻状态由活性自由层（fl）的自旋方向描述，而固定参考层（rl）与fl之间的隧道磁电阻（tmr）使得fl取向的读出成为可能。同时，拓扑磁性纹理如磁天空磁涡在纳米尺度上也备受瞩目，因为它们可能成为高效、可持续计算中的基本单元。然而，尽管mtjs和磁天空磁涡的潜在应用前景广阔，但目前仍存在一些关键问题。其中一个主要问题是缺乏一种能够确定性地电读出单个自旋纹理的设备。虽然已经建立了关于这些纳米结构的一些横向电性质，但对于单个磁天空磁涡的确定性电读出仍然是一个挑战。
为了解决这一问题，新加坡科技研究局anjan soumyanarayanan等科学家进行了研究。他们关注的焦点是实现一种能够在纳米尺度上确定性地读取和操纵单个磁天空磁涡的设备。通过设计和制备纳米尺度的手性磁隧道结（mtj），并利用电场来控制磁涡的形成和删除，他们解决了这一问题。具体地，他们通过使用mgo作为隧道障碍物、cofeb作为fl和rl，设计了纳米尺度的手性mtj，从而实现了磁天空磁涡的确定性电读出。通过在mtj中应用电压来模拟磁场，并利用互补的核化机制来稳定不同大小的磁天空磁涡，他们成功地实现了电场调控的磁涡形成和删除，同时大幅降低了转换能量。最终相关成果发题为“all-electrical skyrmionic magnetic tunnel junction” 在nature 顶刊。
本研究旨在解决磁隧道结（mtj）中的磁性随机存储和电学操控的问题，以及对天然产生的磁涡（skyrmions）的确定性电学读取的挑战。通过一系列细致的实验和模拟研究，研究人员揭示了纳米尺度下磁隧道结（mtj）中磁性随机存储的机制，并成功实现了对磁涡的确定性电学操控。首先，研究人员设计并制备了一种新型的磁性隧道结（sk-mtj），其结构如图1所示。他们成功地实现了磁性隧道结中纳米尺度的磁涡的稳定，并通过电学方法对其进行了可靠读取。通过磁性滞回曲线和电阻-磁场（r-h）循环测试，他们证明了sk-mtj具有较大的磁隧道电阻（tmr）比率，并且显示了磁性隧道结中磁涡状态的明确识别能力（见图2）。接下来，研究人员利用磁力显微镜成像技术对sk-mtj纳米点阵列进行了实验观察。通过对纳米点磁性状态的分析，他们验证了磁涡状态的存在以及其在外部磁场作用下的演化过程（见图3）。通过微磁性模拟，研究人员进一步揭示了磁涡的形成和消失机制，并发现了其与磁场不对称性之间的关联。此外，研究人员利用一级反转曲线（forcs）研究了磁隧道结中磁涡状态的零场稳定性，并提出了一种基于电压脉冲的电学操控方法。通过变化电压脉冲的幅度和极性，他们成功地实现了磁涡状态之间的可控转换，并研究了其在不同磁场条件下的操控特性（见图4和5）。总的来说，本研究通过实验和模拟相结合的方法，成功地揭示了磁隧道结中纳米尺度磁涡的形成和演化机制，并实现了对其的确定性电学操控。这一研究成果对于发展基于磁性随机存储和磁性逻辑器件的新型技术具有重要意义，为未来磁性信息存储与处理领域的发展提供了新的思路和方法
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本研究通过对磁性天线mtj的综合性研究，为利用磁性天线在磁存储和自旋电子学领域的潜在应用提供了深入的科学意义。通过设计复合的mtj结构，并通过多种实验手段和理论模拟对其性能进行全面研究，作者揭示了磁性天线在不同磁场和电场条件下的稳定性和可控性，为实现磁性天线的可编程操作和存储提供了理论和实验基础。此外，作者还发现了磁性天线形成的微观机制和磁场的不对称性对器件性能的重要影响，为进一步优化mtj设计和开发新型自旋电子学器件提供了重要参考
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chen, s., lourembam, j., ho, p. et al. all-electrical skyrmionic magnetic tunnel junction. nature 627, 522–527 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07131-7
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