基于各向异性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的高频反斯格明子振荡器研究

本研究针对传统斯格明子自旋扭矩纳米振荡器(STNO)工作频率低(<1 GHz)和高电流密度下易湮灭的瓶颈问题，通过构建各向异性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)体系，首次实现了9.66-38.8 GHz高频稳定的反斯格明子自振荡，其电流耐受阈值达传统斯格明子的400%，为开发高频低功耗自旋电子器件提供了新范式。

　　

在自旋电子学领域，磁斯格明子(Skyrmion)因其独特的拓扑保护特性和纳米级尺寸，被视为下一代高密度存储和逻辑器件的理想载体。然而，当科学家们试图将这种拓扑磁结构应用于自旋扭矩纳米振荡器(STNO)时，却遭遇了两大难以逾越的障碍：其工作频率被限制在1 GHz以下的低频范围，远不能满足5G/6G通信对高频器件的需求；更棘手的是，在高电流密度驱动下，斯格明子会因马格努斯力(Magnus force)作用发生边界湮灭，导致器件失效。这些根本性缺陷严重制约了斯格明子器件在高频应用场景的发展。

针对这一挑战，复旦大学的研究团队另辟蹊径，将目光转向了斯格明子的"孪生兄弟"——反斯格明子(Antiskyrmion)。通过创新性地引入各向异性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，在纳米磁盘结构中实现了稳定的反斯格明子自振荡。这项发表在《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》的研究表明，反斯格明子不仅能够突破传统斯格明子的频率限制，更展现出惊人的电流耐受能力，为开发新一代高频自旋电子器件打开了全新路径。

研究团队采用微磁模拟结合理论分析的方法，系统比较了各向同性与各向异性DMI体系的动力学差异。关键技术包括：纳米磁盘几何建模、自旋极化电流驱动模拟、时域磁化动力学分析，以及通过拓扑电荷计算验证反斯格明子稳定性。

Device structure and Mathematical model
研究构建了由垂直磁化固定层和自由层组成的STNO结构，自由层与重金属耦合产生各向异性DMI。通过求解包含自旋转移矩(STT)和DMI效应的Landau-Lifshitz-Gilbert方程，建立了反斯格明子动力学模型。

Stabilize magnetic domain oscillation
在5×10¹¹ A·m^-2电流密度下，各向异性DMI系统展现出独特的反斯格明子稳定机制。当电流增至10-15×10¹¹ A·m^-2时，反斯格明子呈现呼吸-旋转混合振荡模式，面内/面外频率分别达9.66 GHz和38.8 GHz，频率比稳定在3.9-4.1。

Conclusion
研究发现反斯格明子的切向速度在15×10¹¹ A·m^-2时可达587 m/s，其湮灭阈值是传统斯格明子的4倍。这种卓越性能源于反斯格明子特有的手性依赖力平衡机制，使其在电流密度增加时通过尺寸收缩而非轨道扩张来维持稳定。

这项研究的重要意义在于：首次证实各向异性DMI体系可实现高频稳定的反斯格明子自振荡，工作频率较传统斯格明子提升386-966%；揭示了反斯格明子独特的电流-频率非线性关系，为器件频率调控提供了新维度；突破了斯格明子霍尔效应导致的电流密度限制，使器件可靠性获得质的飞跃。这些发现不仅为开发高频、低功耗自旋电子器件奠定了理论基础，更开辟了通过拓扑结构设计优化器件性能的新思路。