新闻网讯 近日，《自然•电子》（Nature Electronics）刊发了光电信息学院游龙教授课题组利用自旋轨道力矩-忆阻器件实现三维磁场探测的最新研究“A spin–orbit torque device for sensing three-dimensional magnetic fields”。游龙为论文通讯作者，博士生李若凡与张帅为共同第一作者，合作者包括光电学院杨晓非教授、欧阳君副教授、Jeongmin Hong、博士后郭喆、罗时江，兰州大学席力教授、硕士生许炎，湖北大学讲师宋敏等。

论文封面图

磁传感器广泛应用于航天、汽车、导航、生物医学及工业自动化等领域。其中，基于各向异性磁电阻、巨磁电阻和隧道磁电阻的磁传感器具有带宽宽、稳定性高、体积小、成本低等优点，同时拥有良好的灵敏度、分辨率和线性度，受到了广泛的关注和研究。目前，磁场的探测不再局限于一维或二维，三维磁场的探测更具实际意义。测量三维磁场的传统方法是使用三个磁传感器分别感测沿x、y和z的磁场分量大小，或者采用磁通导向器将磁场引导至平面传感器的探测方向。然而，这两种方案都存在测得的三个磁场分量非正交或者不在同一空间位置上的问题。

矢量磁场由两个面内磁场分量(H_x或H_y)和一个面外磁场分量(H_z)组成，在写电流作用下，三个分量都能推动CoFeB层的畴壁在特定范围内发生线性的位移，从而实现对器件电阻的连续线性调控，且具有记忆功能，无需初始化。根据自旋轨道力矩与磁场驱动畴壁移动的差异性，可以通过一定方式将矢量磁场的三个分量分离出来，即从物理上实现单器件探测矢量磁场，以克服上面提到的传统方案面临的问题。例如，在x方向通写电流时，该研究发现在正负电流下的电阻随不同磁场分量的对称性关系不同，即两条R_H-H_z曲线是重合的（图2a），两条R_H-H_x曲线关于x轴对称（图2b），H_y对器件阻值没有影响（图2c）。同样地，y方向通写电流时，H_y和H_z可以调控R_H，而H_x不会对器件电阻产生影响。

图1：探测三维磁场的原理示意图

图2：在±6.8MA/cm²的电流密度下的R-H曲线。a-c为在x方向通电流情况下，d-e为在y方向通电流情况下

图3：经过加/减操作后得到的三个方向的磁场对R_H的调控作用

根据图2中的曲线的对称特性，可以将矢量磁场的三个分量对于电阻的单独贡献分离出来。将正负电流下的R-H曲线相减，可以抵消H_z分量的贡献，H_y没有贡献，从而得到H_x的单独贡献（图3a）；将正负电流下的R-H曲线相加，可以抵消H_x的贡献而得到H_z的单独贡献（图3c）。同样地，若电流方向沿y方向，可以分别得到H_y（图3b）和H_z对R_H的单独贡献。这样，我们可以根据电阻得到三个分量的大小，从而得到矢量磁场的大小和方向。

论文作者合影

另外，本文也得到光电信息学院吴国安教授与占腊民副教授提供的仪器支持。本工作得到了国家自然科学基金青年、面上和创新群体项目、国家重点研发计划、武汉市科技局科研项目以及中央高校基本科研基金（华中科技大学）等项目的共同资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00542-8