磁性斯格明子是一种具有拓扑保护特性的纳米级磁涡旋结构，被认为是构建下一代高密度、低能耗自旋电子存储与逻辑器件的理想信息载体。要实现其实际应用，必须解决三个核心环节：确定性产生、精准操控与高效电学读取。尽管前两方面已取得显著进展，但如何利用与现代磁存储器技术兼容的方式，对运动中（移动）的斯格明子进行高效电学探测，始终是一个关键瓶颈。
传统的探测方法或受限于较低的信号对比度（隧穿磁电阻比率，TMR），或仅能检测静止的斯格明子，这严重制约了其在赛道存储器等动态器件中的应用。因此，开发一种兼具高TMR比率和移动斯格明子探测能力的技术，成为推动斯格明子器件从实验室走向应用的关键一步。
针对这一挑战，南京大学超导电子学研究所王永磊教授联合清华大学、阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）等多个顶尖机构组成的研究团队，取得了突破性进展。团队创新性地设计并制备了一种“斯格明子磁隧道结”，成功实现了室温下超过100%的隧穿磁电阻比率，并首次在类赛道器件中演示了对电流驱动下移动斯格明子的时间分辨电学探测。
研究的核心在于巧妙的材料集成与器件设计：
1. 材料堆栈优化：团队在可稳定纳米级奈尔型斯格明子的经典多层膜 [Pt/Co/Ta]10 之上，集成了具有垂直磁各向异性的 CoFeB/MgO/CoFeB 磁隧道结结构。通过插入超薄的Ta层并精确调控CoFeB自由层厚度，使底部的斯格明子多层膜与MTJ的自由层形成强铁磁耦合，从而构成一个“混合自由层”。这意味着斯格明子的非共线磁纹理可以被“印刻”到隧道结的自由层中，直接调制其隧穿电阻。
2. 卓越的TMR性能：基于该优化堆栈制备的纳米尺度器件，在室温下实现了高达103.45% 的TMR比率（对应电阻从低态11.03 kΩ至高态22.44 kΩ的变化）。在180K的低温下，TMR比率进一步提升至133.3%。这一高性能为探测提供了极高的信噪比基础。
3. 斯格明子的操控与读取：研究利用洛伦兹透射电镜和磁力显微镜直接观测并验证了多层膜中奈尔型斯格明子的存在及其被电流脉冲驱动运动的能力。在此基础上，团队构建了三端类赛道原型器件：底部导线通入脉冲电流驱动斯格明子运动，上方的纳米MTJ柱则实时读取其磁状态变化。
团队通过一系列精密的实验，确凿地证明了移动斯格明子的电学探测能力：
静态多态读取：在固定磁场下测量MTJ的微磁滞回线，观测到离散的、多阶的TMR状态。这直接反映了在MTJ柱下方区域，混合自由层中不同磁畴（包括斯格明子）构型的变化，证明了器件对复杂磁纹理的敏感性。
动态运动探测（核心突破）：在零磁场下，向底部赛道导线施加一系列特定参数（如幅值 ，脉宽500 ns）的电流脉冲以驱动磁纹理运动，同时用小交流电连续监测MTJ的电阻。实验成功记录到了随时间阶跃变化的TMR信号——每个电流脉冲后，TMR值都会发生明显跳变并形成新的平台。这与微磁模拟所预测的“斯格明子进入、停留、然后移出MTJ探测区域”的图像完全吻合，首次实现了对移动斯格明子轨迹的实时电学追踪。
信号分析：通过分析，研究团队发现约19 kΩ 的电阻平台出现频率最高，通过与模拟结果对比，该值被指认为单个斯格明子位于MTJ柱下方时的特征电学信号。这为未来实现单个斯格明子的比特化读取奠定了基础。
此项研究成果具有重要的科学价值与广阔的应用前景：
1. 攻克关键技术瓶颈：本研究同时解决了斯格明子器件化的两大难题——高信噪比读取与移动态探测，为斯格明子赛道存储器提供了迄今为止最可行的读取方案原型。
2. 兼容主流技术路线：所采用的MTJ技术是当前商用磁阻随机存储器（MRAM）的核心，这意味着该方案能与现有半导体制造工艺较好地兼容，降低了未来集成的技术门槛。
3. 拓展器件应用蓝图：该探测机制不仅适用于存储器，也为基于斯格明子动力学的类脑计算、随机振荡器、逻辑门等新型计算范式提供了关键的技术支撑。能够读取运动中的状态，使得利用斯格明子流进行实时信息处理成为可能。
当然，走向完全实用的器件仍面临挑战，例如如何进一步缩小器件尺寸以实现单个斯格明子的精确操控与读取，以及如何在复杂电路中实现大规模集成。但毫无疑问，这项工作为下一代自旋电子学器件的发展开辟了一条清晰且充满希望的道路。
图1：斯格明子磁隧道结的概念与实现：(a) 展示了斯格明子赛道存储器及MTJ电学探测的原理示意图。(b) 器件的多层膜堆栈结构截面图及高角环形暗场扫描透射电镜图像，清晰显示了各功能层的晶体结构。(c) 整个堆栈的垂直磁滞回线，不同颜色的箭头标示了各磁性层的翻转过程。
图2：多层膜中的奈尔型斯格明子相及其电流驱动行为：(a) [Pt/Co/Ta]₁₀ 多层膜在不同温度下的面外磁滞回线，回线形状呈现典型的斯格明子相特征（饱和区斜率较大、剩磁比低）；插图为饱和磁化强度随温度的变化。(b) 洛伦兹透射电镜（LTEM）直接观测到的室温奈尔型斯格明子图像（倾斜角30°，欠焦−3 mm）。(c) 宽度为1 μm的斯格明子赛道器件光学显微镜照片。(d, e) 零磁场下磁力显微镜（MFM）图像对比：(d) 施加电流脉冲前，赛道中主要为条状磁畴与少量斯格明子共存；(e) 施加10 ns、幅值约1.96 × 10⁷ A cm⁻²的电流脉冲后，条状畴破碎为多个孤立斯格明子，并沿赛道发生明显位移，证明了电流驱动斯格明子产生与运动的能力。
图3 & 4：纳米斯格明子MTJ的TMR性能：展示了纳米器件的扫描电镜图及室温下的TMR曲线，微磁滞回线中出现的离散电阻台阶证明了其对多磁畴态的探测能力。不同温度下的测量表明器件在180K至340K的宽温范围内工作稳定。
图5：移动斯格明子的电学探测：(a) 核心结果图。上方为施加的电流脉冲序列，下方为实时测得的TMR比率随时间的变化。可以看到每个脉冲后，TMR信号发生明显跳变，证明有磁纹理（斯格明子）运动经过探测点。(b, c) 微磁模拟直观展示了电流驱动下斯格明子与条状畴在赛道中的运动过程，以及MTJ柱下磁化强度的相应变化。
该突破性研究成果以“Electrical detection of mobile skyrmions with 100% tunneling magnetoresistance in a racetrack-like device”为题，发表于自然合作期刊《npj Quantum Materials》。该期刊专注于发表推动量子材料领域理解的重大成果，最新影响因子为5.7。
文献来源：
Mengqi Zhao, Aitian Chen, Pei-Yuan Huang, Chen Liu, Laichuan Shen, Jiahao Liu*, Le Zhao, Bin Fang, Wen-Cheng Yue, Dongxing Zheng, Ledong Wang, Hao Bai, Ka Shen, Yan Zhou, Shasha Wang, Enlong Liu, Shikun He, Yong-Lei Wang*, Xixiang Zhang*, and Wanjun Jiang*. Electrical detection of mobile skyrmions with 100% tunneling magnetoresistance in a racetrack-like device. npj Quantum Materials. 2024;9:50.