CN115411177A - 斯格明子的核磁化翻转方法及使用该方法的数据存储设备 - Google Patents

Abstract

一种核磁化翻转方法包括通过向第一磁性斯格明子施加第一交流(AC)磁场将所述第一磁性斯格明子变换成斯格明子纹理，并且然后通过向斯格明子纹理施加第二AC磁场将斯格明子纹理变换成第二磁性斯格明子。第一磁性斯格明子可以在半球形壳体上形成，该半球形壳体可以通过以下方式形成：(i)制备具有多个突起的膜，以及(ii)在所述膜上堆叠包括铂(Pt)、镍(Ni)、或钯(Pd)中的至少一种的第一层和包括铁磁材料的第二层。第一AC磁场和第二AC磁场可以具有不同频率。

Description

斯格明子的核磁化翻转方法及使用该方法的数据存储设备

优先权申请的引用

该申请要求于2021年5月28日提交的韩国专利申请No.10-2021-0069421的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种斯格明子核磁化翻转方法和使用该方法的数据存储设备。

背景技术

电子具有电荷以及磁自旋。磁存储器设备(诸如硬盘)记录自旋的方向并将其用作数字逻辑“比特”，即由计算机处理的最小数据单位。基于自旋方向的存储器设备通常可以在没有电源的情况下存储数据，但由于其中使用的与材料相关联的结构特性，目前使用的设备通常具有相对低的运行速度。另外，虽然已经提出了使用磁畴壁的存储器设备，但因为移动磁畴壁通常需要高电流密度，其使用一般是受限的。

为了解决这些问题，使用斯格明子的高速低功耗磁存储器设备已经引起了强烈的关注。斯格明子表示一种布置为涡旋形状的电子自旋组成的磁结构。斯格明子可以：(i)以对应于其他磁结构所需的约1/100,000电流密度的非常低的电流密度(～10⁶A/m²)移动，并且(ii)具有几百nm的小尺寸。因此，斯格明子作为高速低功耗的下一代磁存储器设备引起了强烈的关注。然而，为了将斯格明子用于存储器设备，需要控制斯格明子的尺寸、涡旋方向、对准等，以使能信号传输。例如，日本专利申请No.JP 2012-232324公开了一种向斯格明子施加电流的方法。此外，PCT专利公开No.WO2015125708A1，标题为“磁元件与斯格明子存储器”，其公开了使用斯格明子存储器单元元件的存储器设备。

通常在平面上形成的斯格明子由于其结构特性(即，S＝1或-1的斯格明子数)，会引起斯格明子霍尔效应。由于斯格明子霍尔效应，当由自旋极化电流驱动时，斯格明子被偏置到赛道存储器(又名畴壁存储器)的边缘，并且因此所需的逻辑运算被禁用。由两个斯格明子组成的斯格明子纹理具有S＝0的斯格明子数和0的总拓扑电荷，其补偿斯格明子霍尔效应，并且该斯格明子纹理在自旋电流的作用下沿着纳米轨道线性移动。然而，因为需要高界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)值来稳定斯格明子结构，所以斯格明子纹理不容易适用。此外，已经提出了一种通过传播核的回转来传输信号以对准磁涡旋的方法。然而，信号传输仅通过偶极到偶极相互作用来实现，信号传输的强度和速度并不高，并且即使速度高，具有几百nm到几μm尺寸的磁涡旋也不容易高度集成。

发明内容

本发明提供了一种实现斯格明子的核磁化翻转的方法。该方法能够基于有效垂直磁各向异性(PMA)的减小，和由于曲率引起的有效DMI的增加以及使用该方法的数据存储设备来增加斯格明子的稳定性。本发明还提供了一种斯格明子的核磁化翻转方法，该方法能够在较短的驱动时间内通过使用低能量来翻转在半球形壳体上形成的斯格明子的核磁化。

根据本发明的实施例，提供了一种磁性斯格明子的核磁化翻转方法。该方法包括：(i)制备在半球形壳体上形成的第一斯格明子；(ii)通过向其施加第一交流(AC)磁场将第一斯格明子变换成斯格明子纹理；以及(iii)通过向其施加第二AC磁场将斯格明子纹理变换成第二斯格明子。

在这些实施例中的一些实施例中，半球形壳体可以通过制备具有多个突起的膜，以及在膜上堆叠包含铂(Pt)、镍(Ni)或钯(Pd)的第一层和包含铁磁材料的第二层来产生。在附加的实施例中，膜可以通过将球形颗粒置于多孔膜上来形成。此外，半球形壳体可以具有小于或等于100nm的直径(并且大于0nm)。当半球形壳体的曲率增加时，斯格明子的稳定性可以增加。

在进一步的实施例中，第一斯格明子可以具有+1的斯格明子数，第二斯格明子可以具有-1的斯格明子数，并且斯格明子纹理可以具有0的斯格明子数。相关的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)常数可以大于或等于0mJ/m²并且小于或等于3.0mJ/m²。磁各向异性常数K_u可以大于0MJ/m³并且小于或等于0.8MJ/m³。并且，在半球形壳体上，有效垂直磁各向异性(PMA)K_eff可以表示为K_eff＝K_u-1/2μ₀M_s ²-D_int/R-A_ex/R²，并且有效DMI D_eff可以表示为D_eff＝D_int+2A_ex/R，其中K_u表示PMA常数，D_int表示DMI常数，A_ex表示交换劲度，并且R表示半球形壳体的半径。第一AC磁场和第二AC磁场可以具有不同的频率，并且第一AC磁场和第二AC磁场可以具有小于或等于1000Oe的强度(并且大于0Oe)和范围从1MHz到99GHz的频率。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明的实施例，本发明的上述和其他特征和优点将变得更加明显，其中：

图1示出了根据本发明的实施例的斯格明子结构；

图2A到2C示出了根据本发明的实施例的斯格明子的呼吸模式；

图3A到3D示出了根据本发明的实施例的斯格明子的顺时针(CW)模式和逆时针(CCW)模式；

图4A和4B包括示出了根据本发明的实施例的在呼吸模式和CW模式下由斯格明子信号传输的曲线图；

图5A到5D示出了根据本发明的实施例的用于翻转斯格明子的核磁化的模型系统；

图6A和6B示出了根据本发明的实施例的基于斯格明子数和相应D_int和K_u处的基态的拓扑；

图7是示出了根据本发明的多个实施例的基于壳体直径的斯格明子的稳定性的曲线图。

图8A和8B示出了根据本发明的实施例的基于材料参数在半球形壳体上可形成的多个自旋结构。

图9A到9C示出了根据本发明的实施例的分析斯格明子的自旋波模式的结果；

图10A到10C示出了根据本发明的实施例的分析斯格明子纹理的自旋波模式的结果；

图11A到11B示出了根据本发明的实施例的从斯格明子到斯格明子纹理的变换；

图12A和12B示出了根据本发明的实施例的从斯格明子纹理到斯格明子的变换；以及

图13示出了根据本发明的实施例的斯格明子的核磁化翻转过程。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明进行详细描述，该附图通过示例的方式示出了本发明的具体实施例。这些实施例被足够详细地描述以便本领域的普通技术人员能够实施本发明。应当理解，本发明的多个实施例是不同的，但不一定是相互排斥的。例如，关于一个实施例，在此描述的具体形状、结构和特性可在不脱离本发明的范围的情况下被实现为另一个实施例。此外，应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，能够改变在每个公开的实施例中的各个独立组件的位置或布置。因此，以下的详细描述不应被解释为限制性的，并且如果适当地描述，则本发明的范围仅由所附权利要求及其等同物限定。在附图中，相同的附图标记表示相同的功能，并且为了清楚起见，诸如长度、面积以及厚度的尺寸可能被夸大。

以下，本发明将通过参照附图解释本发明的实施例来详细描述，从而使本领域的普通技术人员可以容易地实施本发明。

斯格明子结构和本征模式

图1示出了根据本发明的实施例的斯格明子结构。

如本领域的技术人员所理解，斯格明子是具有涡旋形状的自旋结构，且其特征在于斯格明子的中心自旋和周围自旋彼此反向平行，且中心自旋和周围自旋之间的自旋呈涡旋状。如图1所示，围绕核的磁化在顺时针(CW)(或逆时针(CCW))方向上回转的结构被称为布洛赫斯格明子(或螺旋斯格明子)，并且围绕核的磁化在径向方向上表现的结构被称为奈尔斯格明子(或刺猬斯格明子)。尽管下面作为示例代表性地描述了奈尔斯格明子，但是应当注意，本发明也适用于布洛赫斯格明子。

斯格明子的类型是基于形成Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)的机制来确定的。布洛赫斯格明子可以通过晶体结构来形成，并且奈尔斯格明子可以通过界面来形成。具有与周围自旋的磁化方向相反的垂直磁化方向的核(即，中心自旋)存在于斯格明子结构的中心处，并且该结构由于其拓扑特异性而具有稳定性。斯格明子具有几至几十纳米的相当小的半径，并且具有稳定颗粒的特性，因此其适用于高度集成的计算设备和磁存储器设备。当磁场或电流被施加到斯格明子时，本征模式可能会被激发。该本征模式可以被分为呼吸模式和CW(或CCW)模式。

图2A到2C示出了根据本发明的实施例的斯格明子的呼吸模式。图2A示出了呼吸模式下核的位置变化，并且图2B和图2C示出了呼吸模式下核的最小尺寸和最大尺寸。

图3A到3D示出了根据本发明的实施例的斯格明子的CW模式和CCW模式。图3A示出了CW模式下核的位置变化，图3B示出了CCW模式下核的位置变化，并且图3C到图3D示出了CW模式下核的位置变化。

图4A和4B包括示出了根据本发明的实施例的在呼吸模式和CW模式下由斯格明子信号传输的曲线图。

参照图2和4，作为斯格明子的本征模式中的一个，当交流(AC)磁场或AC电流被施加到垂直于斯格明子的方向(例如，z轴方向)上时，核周期性地扩展和收缩的呼吸模式被激发。

参照图3和4，作为斯格明子的本征模式中的另一个，当AC磁场或AC电流被施加到形成斯格明子的平面(例如，XY平面)上时，核沿CW(或CCW)方向回转的CW(或CCW)模式被激发。

斯格明子的核磁化翻转方法

由于“0”和“1”的存储器设备是基于斯格明子的核磁化方向来实现的，所以需要核磁化方向的翻转来控制。对于核磁化翻转，斯格明子数：

从+1变为-1，因此不可避免地经过了值0的周期(参见图8B)。

图5A到5D示出了根据本发明的实施例的用于翻转斯格明子的核磁化的模型系统。图5A是模型系统的透视图，图5B示出了局部磁化m的局部表面的参考系中的三个单位向量的球面坐标，图5C示出了在2R＝100nm的半球形壳体上的单个奈尔斯格明子，并且图5D示出了与图5C等效的平面圆盘。

在本说明书中，磁性半球形壳体上的斯格明子和斯格明子纹理的拓扑磁织构的稳定化将结合垂直磁各向异性(PMA)常数K_u、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)常数D_int和壳体直径2R来描述。

参照图5A，模型系统是超薄(t＝1nm)半球形壳体结构，其具有在25nm至100nm的范围内变化的外径2R。也可以使用具有小于或等于100nm(并且大于0nm)的直径2R的任何其他半球形壳体结构。高度h被设为半径R的99.9％，以将单个斯格明子放置在中心处。这种不对称性并不影响斯格明子的整体静态特性和动态特性。

半球形壳体可以通过在具有多个突起的膜上堆叠包括铂(Pt)、镍(Ni)或钯(Pd)的第一层和包括铁磁材料的第二层来产生。具体地，膜可以通过将对应于半球形壳体的直径的球形颗粒放置在多孔膜上来形成，并且第一层和第二层可以堆叠在膜上以产生半球形壳体。例如，半球形壳体可以通过在多孔氧化铝膜上形成具有聚苯乙烯球的二维(2D)阵列的曲面点模板，并在其上堆叠钴(Co)/Pt层来产生。可以通过使用磁尖、诱导斯格明子的霍尔电压等在半球形壳体上形成斯格明子。

为了计算在半球形壳体的每个节点处的独立磁化，可以使用Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程中使用的“magnum.fe”代码来执行微磁模拟，该方程被表示为方程(1)：

其中α表示吉尔伯特阻尼常数，γ表示回转磁比，以及H_eff表示有效场，其是作用于M的所有场的总和，并且可以作为磁化的总能量密度E_tot的负变分导数来计算：

总能量E_tot被表示为方程(2)。

E_tot＝E_ms+E_ani+E_ex+E_DMI+E_zeeman，其中E_ms表示静磁能量，E_ani表示各向异性能量，E_DMI表示DMI能量，并且E_zeeman表示Zeeman能量。

与Co接触的Pt的参数包括饱和磁化强度M_s＝580kA/m、交换劲度A_ex＝15pJ/m、单轴PMA常数K_u＝0MJ/m³至0.8MJ/m³、界面DMI常数D_int＝-8.0mJ/m²至8.0mJ/m2、以及阻尼常数α＝0.3。例如，自旋织构的变化通过在K_u＝0MJ/m³至0.8MJ/m³和D_int＝-8.0mJ/m²至8.0mJ/m²的范围内改变K_u和D_int来观察。

如图5B所示，为了方便分析，局部能量表面上的数据从笛卡尔坐标(x，y，z)变换成球面坐标(e_r，e_θ，

)。局部磁化的单位向量被表示为：

其中r表示径向距离，θ表示极角，并且

表示局部球面参考系中的方位角。

图5C示出在K_u＝0.80MJ/m³和D_int＝3.0mJ/m²下在具有2R＝100nm和t＝1nm的半球形壳体上形成的单个斯格明子。图5D示出了与图5C等效的平面圆盘，且R'表示平面圆盘的半径。在下文中，所有局部磁化和拓扑电荷的空间分布将在2D平面圆盘上表示。

图6A和6B示出了根据本发明的实施例的基于斯格明子数和相应D_int和K_u处的基态的拓扑。

因为PMA优选共线磁化但固有DMI却执行非共线手性磁化，所以基于PMA和DMI，各种自旋织构形成在具有给定直径的半球形壳体的基态中。根据图6A的相图，自旋织构被分成①斯格明子、②斯格明子纹理、③涡旋、和④均匀垂直磁化状态。如图6B所示，斯格明子、斯格明子纹理、涡旋和均匀垂直磁化状态由S＝1、S＝0、S＝1/2和S＝0的斯格明子数来定义。

在低D_int和低K_u下形成了具有磁化配置的涡旋状态，该磁化配置包括在核的平面外磁化和在背景中径向指向核的平面内磁矩。基于D_int和K_u修改涡旋状态，并且当D_int和K_u增加时，涡旋核的尺寸增加。在较高的D_int和K_u下可以稳定斯格明子状态，并且在大多数面积(即，在核处向上并且在背景中向下)中平面外磁化是有利的。

当K_u减小而D_int增加时，斯格明子核的尺寸增加。应当注意，即使在K_u＝0.25MJ/m³处存在固有的无DMI(D_int＝0)斯格明子。在D_int高于斯格明子相或K_u低于斯格明子相时，形成了其中磁化在中心向上指向、在中间向下指向并且在边缘向上指向的斯格明子纹理结构。

在低D_int和高K_u下，通过使用半球形壳体的每个局部表面处的垂直磁化，自旋织构突然变为完全饱和的均匀状态，从而克服平面内偶极相互作用。在这种情况下，与斯格明子纹理相比，斯格明子数几乎是相同的(即，0)，但磁化状态是完全不同的。

图7是示出了根据本发明的多个实施例的基于壳体直径的斯格明子的稳定性的曲线图。有效PMA K_eff和有效DMI D_eff被表示为方程(3)：

在平面结构中，R＝∞，并且因此D_eff＝D_int。另一方面，在诸如半球形壳体的曲面结构中，当R减小时，有效DMI D_eff可以增加并且有效PMA K_eff可以减小。因此，与平面结构相比，磁性斯格明子的稳定性在曲面结构中增加了。在图7中，R＝∞的平面结构的DMI值(曲线(d))以对称形状示出，但是当曲率增加时向左偏移。尤其是，因为当曲率增加时，即使在D＝0时，即，当2R变为100nm(曲线(c))、50nm(曲线(b))和25nm(曲线(a))时，也表现出R_sky/R_disk值(即，斯格明子直径与圆盘直径的比率)，这表明斯格明子甚至可以在D＝0时稳定存在。

图8A和8B示出了根据本发明的实施例的基于材料参数在半球形壳上可形成的多个自旋结构。如上述关于图6A、6B和7的描述，使用在给定D_int和K_u下的自旋织构的变化来执行引起核磁化翻转的方法。如图8A和8B所示，斯格明子结构和斯格明子纹理结构两者均可以在两种状态之间的边界条件下稳定存在。对于核磁化翻转，斯格明子数从+1变为-1，并且因此不可避免地经过了值0的周期。因此，在下面的描述中，通过每个模式的共振激发，磁性斯格明子的核磁化的翻转是以低能量诱导的。

图9A到9C示出了根据本发明的实施例的分析斯格明子的自旋波模式的结果。图10A到10C示出了根据本发明的实施例的分析斯格明子纹理的自旋波模式的结果。

在本发明的一个试验实施例中，确定了在半球壳体上形成的稳定的斯格明子结构，并在D_int＝1.5mJ/m²和K_u＝0.3MJ/m³的条件下观察了由AC-振荡磁场驱动的动态行为。在给定的D_int和K_u下，用-10.0×10^-19J和-11.1×10^-19J的能量可以同时获得稳定的斯格明子和亚稳定的斯格明子纹理状态。表示为辛格-函数场的H_sinc被应用于整个半球形壳体结构以激发动态模式这里，该辛格-函数场被表示为方程(4)：

H_{sin c}(t)＝H₀ sin[2πf_H(t-t₀)]/(2πf_H(t-t₀))，

其中|H_o|＝10Oe、f_H＝100GHz、t₀＝1ns、t＝100ns以及阻尼常数(α＝0.01)可以用于增加自旋波模式的光谱分辨率。

图9A到9C和图10A到10C示出了对于斯格明子和斯格明子纹理，在2R＝100nm的半球形壳体的总体积中所有独立节点的m_r振荡的平均快速傅里叶变换(FFT)功率下获得的合成光谱。尽管使用了相同的结构和相同的材料参数D_int和K_u，但是自旋波模式的光谱取决于磁织构而表现得不同。

参照图9A和图9B，在斯格明子的情况下，平面内激发(接近m_r＝1)表现出0.91GHz、7.32GHz、11.08GHz和17.88GHz四个独立模式，并且平面外激发(接近m_r＝-1)仅表现出3.51Ghz和14.16GHz两个模式。

参照图10A和图10B，在斯格明子纹理的情况下，与斯格明子类似，平面内激发(接近m_r＝1)表现出0.97Ghz、1.40Ghz、8.75Ghz和13.05GHz四个共振模式，并且平面外激发(接近m_r＝-1)仅表现出2.59Ghz和8.33GHz两个共振模式。

在斯格明子的激发下，最强模式在最低的共振频率处呈现。即，最强平面内激发模式在0.91Hz处表现，并且最强平面外激发模式3.51GHz处表现。另一方面，在斯格明子纹理的激发下，最强模式在第二共振频率处表现。即，最强平面内激发模式在1.40GHz处表现，并且最强平面外激发模式8.33GHz处表现。

图9C和图10C示出了在共振峰值处的局部m_r振荡的FFT功率和相位的空间分布，以识别所有激发模式。沿着斯格明子或斯格明子纹理的径向轴线穿过斯格明子或斯格明子纹理中心处的电力线轮廓清楚地示出了如由黑色箭头指示的径向节点n的位置和数量，并且相位分布示出了沿着方位角方向m的节点的位置和数量。在所有激发模式中壳体边缘处的节点(由灰色箭头指示)被排除在径向节点n的数量之外，因为这样的节点不是由斯格明子状态的真实本征模式引起，而是由壳体的边缘效应和曲率诱导的类DM相互作用引起的。

应当注意的是，因为斯格明子纹理是由内斯格明子和外斯格明子组成，并且圆形畴壁插入它们之间作为附加节点的源，所以斯格明子纹理的径向节点n的数量总是比斯格明子的径向节点的数量多一个。因此，图9C和图10C中的斯格明子和斯格明子纹理的激发模式可以由n和m两者索引。在平面内激发本征模式中，两个低频模式由n＝0(或n＝1)索引，并且两个高频模式由n＝1(或n＝2)索引。通过感测-π和π以及CCW和CW回转之间的相位变化，对应于n的每个值的两个模式进一步由m＝-1和m＝+1索引。在平面外激发模式中，径向节点的数量为n＝0或1(或n＝1或2)，但使用了相同的方位角节点m＝0。

图11A和11B示出了根据本发明的实施例的从斯格明子到斯格明子纹理的变换。图12A和12B示出了根据本发明的实施例的从斯格明子纹理到斯格明子的变换。

在确定半球形壳体上的模式固有频率之后，现在将描述通过在z方向上施加的单谐波振荡场H(t)＝H_AC sin(2πf_rest)的辅助极性切换的呼吸模式动力学(其中f_res和H_AC分别表示场的频率和幅度)。

如图11A和图12A所示，可以基于壳体的m_r轮廓的时间演变来清楚地识别导致斯格明子极性切换的动态过程。如图11B和图12B所示，可以使用所施加的磁场(由曲线(a)指示)、表面法线磁化分量m_r(由曲线(b)指示)、对应的斯格明子数S(由曲线(c)指示)和系统的合成能量变化(由曲线(d)指示)来对变换的状态进行分类。

图11A和11B示出了具有S＝+1并且由H_AC＝9mT和f_res＝3.51GHz驱动的斯格明子的切换过程。斯格明子响应于AC磁场而开始呼吸。即，在负z方向上施加场时，斯格明子的核收缩(t＝0.57ns)，并且在正z方向上施加场时，斯格明子的核扩展(t＝0.72ns)。之后，在壳体的边缘处倾斜的自旋从向下翻转到向上并达到瞬态(t＝0.88ns)。最后，系统进入阻尼振荡并且变成稳定的斯格明子纹理状态(t＝10ns)。当初始斯格明子状态(S＝+1)变换成斯格明子纹理状态(S＝0)时，斯格明子的共振频率不作为斯格明子纹理的共振频率。因此，当磁化震荡减慢时，切换过程可能被终止。如上所述，斯格明子和斯格明子纹理的最低呼吸模式共振频率是不同的，即，3.51GHz和2.59GHz。

图12A和12B示出了具有S＝0并且由H_AC＝15mT和f_res＝8.33GHz驱动的斯格明子纹理的切换过程。响应于AC磁场，高阶呼吸模式(n＝2，m＝0)发生在内斯格明子的周边和结构的边缘两者的回转被激发的位置处。斯格明子纹理开始呼吸，与斯格明子类似。即，在正z方向上施加场时，斯格明子纹理的核扩展(t＝0.56ns)，并且在负z方向上施加场时，斯格明子纹理的核收缩(t＝0.62ns)。紧接着，内斯格明子的核消失了，并且斯格明子纹理变换为具有向下极性的斯格明子(t＝0.77ns)。当这样的核翻转发生时，高频自旋波从核的中心发射，以将最高的存储能量分散到核的周围区域(参见图12B的下部)。当初始斯格明子纹理状态(S＝0)被变换为斯格明子状态(S＝-1)时，斯格明子纹理的共振频率不作为斯格明子的共振频率。因此，当斯格明子数收敛到稳定值(S＝-1)时，不会再发生切换。如上所述，斯格明子和斯格明子纹理的第二呼吸模式共振频率是不同的，即，14.16GHz和8.33GHz。

图13示出了根据本发明的实施例的斯格明子的核磁化翻转过程。特别地，图13总结了图9A、9B、9C、10A、10B、10C、11A、11B、12A和12B，并且示出了由于第一AC磁场引起的激发而将第一斯格明子(S＝+1)变换成斯格明子纹理(S＝0)，并且由于不同于第一AC磁场的第二AC磁场引起的激发而将斯格明子纹理(S＝0)变换成第二斯格明子(S＝-1)。最后，其核磁化与初始斯格明子的核磁化相反的斯格明子可以通过两步结构变换来获得。

同时，对于给定的2R，PMA K_u和DMI D_int的组合可以起到形成不同自旋织构的关键作用。当2R减小时，由于曲率诱导的类DMI相互作用，半球形壳体的形状的限制可能极大地影响斯格明子的稳定性。当2R减小时，稳定斯格明子所需的正阈值D_int(D_th)减小，这表明即使固有的无DMI(D_int＝0)斯格明子可以稳定在2R<25nm的壳体上。

稳定的斯格明子纳米结构可以基于自旋配置的计算相图(参见图6A)来产生，并可以应用于赛道存储器、逻辑门、诸如晶体管的磁阻随机存取存储器(MRAM)和自旋电子元件设备。本发明不仅提供了一种可在千兆赫频率下可实现的受控切换过程，而且还提供了一种在不施加稳定磁场的情况下基于斯格明子状态的操纵来制造数据存储设备的方法。因为当半球形壳体的直径增加时，斯格明子可以具有在从约1GHz至约99GHz的千兆赫范围内的动态模式的固有频率，或者具有在从约1MHz至约999MHz的兆赫范围内的动态模式的固有频率，所以本发明还提供了其适用领域，如，基于斯格明子的可调谐共振器。

如上所述，根据本发明可以提高斯格明子的稳定性，并在减少PMA的同时提高DMI的效率。通过使用小于或等于1,000Oe，更具体地，小于或等于100Oe的弱磁场，可以在较短的驱动时间内翻转在半球形壳体上形成的斯格明子的核磁化。

如上所述，根据本发明的实施例可以提高斯格明子的稳定性，并在减少PMA的同时提高DMI的效率。另外，根据本发明的实施例，通过使用弱磁场，可以在较短的驱动时间内翻转在半球形壳体上形成的斯格明子的核磁化。然而，本发明的范围不限于上述效果。

尽管本发明是参照其实施例来具体显示和描述的，但本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以对其进行形式和细节的各种修改。

Claims (17)

1.一种核磁化翻转方法，所述方法包括：

通过向第一磁性斯格明子施加第一交流AC磁场将第一磁性斯格明子变换成斯格明子纹理；以及

通过向斯格明子纹理施加第二AC磁场将斯格明子纹理变换成第二磁性斯格明子。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，第一磁性斯格明子在半球形壳体上形成；并且半球形壳体通过以下方式形成：

制备具有多个突起的膜；以及

在所述膜上堆叠包括铂Pt、镍Ni、或钯Pd中的至少一种的第一层和包括铁磁材料的第二层。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，制备所述膜的步骤包括在多孔膜上放置球形颗粒。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，半球形壳体的直径在大于0nm到100nm的范围内。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，当半球形壳体的曲率增加时，第一磁性斯格明子的稳定性增加。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，第一磁性斯格明子具有+1的斯格明子数，第二磁性斯格明子具有-1的斯格明子数，并且斯格明子纹理具有0的斯格明子数。

7.根据权利要求2所述的方法，其中，与所述方法相关联的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用DMI常数大于或等于0mJ/m²并且小于或等于3.0mJ/m²。

8.根据权利要求2所述的方法，其中，与所述方法相关联的磁各向异性常数K_u大于0MJ/m³并且小于或等于0.8MJ/m³。

9.根据权利要求2所述的方法，其中，在半球形壳体上，有效垂直磁各向异性PMA K_eff表示为K_eff＝K_u-1/2μ₀M_s ²-D_int/R-A_ex/R²，并且有效DMID_eff表示为D_eff＝D_int+2A_ex/R，其中K_u表示PMA常数，D_int表示DMI常数，A_ex表示交换劲度，并且R表示半球形壳体的半径。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，第一AC磁场和第二AC磁场具有不同的频率。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，第一AC磁场和第二AC磁场的强度在大于0Oe到1000Oe的范围内，并且具有范围从1MHz到99GHz的频率。

12.一种使用权利要求2所述的方法的数据存储设备。

13.一种核磁化翻转方法，所述方法包括：

通过如下将第一磁性斯格明子变换成具有不同特性的第二磁性斯格明子：依次向其施加第一交流AC磁场，并且然后施加相对于第一AC磁场具有不等频率的第二AC磁场。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，第一磁性斯格明子在半球形壳体上形成。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，半球形壳体通过以下方式形成：

制备具有多个突起的膜；以及

在所述膜上堆叠包括铂Pt、镍Ni、或钯Pd中的至少一种的第一层和包括铁磁材料的第二层。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，第一磁性斯格明子具有+1的斯格明子数，并且第二磁性斯格明子具有-1的斯格明子数。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，第一AC磁场和第二AC磁场具有范围从1MHz到99GHz的频率。

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