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。近年来，各种新型的磁场传感器逐渐被开发出来，如超导量子干涉器件、磁通门传感器和石墨烯霍尔传感器等。另外，基于金刚石中的光学氮空位、半导体材料中的霍尔效应以及磁性材料中的磁电阻效应等方法也得到了发展。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三个坐标轴（x、y和z）的磁场分量的大小，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，这两种方案由于其本身的限制，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。因此，设计一个基于单器件可探测三维磁场的磁传感器具有重大的科学意义与应用前景。
针对上述问题，近日，华中科技大学光学与电子信息学院游龙教授课题组利用自旋轨道力矩-忆阻器件实现了三维磁场的探测，面内与面外磁场拥有不同的物理机制，因此基于物理机制分离出三个分量的单独贡献不存在不正交或者不在同一空间位置上的问题。该研究成果以“A spin–orbit torque device for sensing three-dimensional magnetic fields”为题在Nature Electronics上发表。
图1：基于非易失磁畴壁移动的单忆阻器件探测三维磁场的原理示意图
如图1所示，矢量磁场由两个面内磁场分量(Hx或Hy)和一个面外磁场分量(Hz)组成，在一定大小的写电流密度下，这三个分量都会推动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。在没有外磁场的情况下，在x方向通写电流（Jx= 6.8 MA/cm2）时，CoFeB磁性层会在奥斯特场、铁磁交换作用、退磁场以及焦耳热等的作用下形成一个沿x方向的磁畴壁（Domain Wall，DW），位于Hall bar中央，对应的反常霍尔电阻RH为0。
图2：在±6.8 MA/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。
在x方向通入写电流的情况下，如果同时施加一个z方向的±4 Oe范围的小磁场，该磁场将会推动DW线性移动，使其不再钉扎在中央位置，器件电阻相应地发生线性变化。需要注意的是，当写电流极性改变后，仍然是+z方向的磁场导致正的RH变化，因此正负电流下的RH-Hz曲线是重合的（图2a）。如果同时施加一个x方向的的小磁场，由于自旋霍尔效应或Rashba效应产生的自旋积累会对CoFeB磁性层的磁化强度产生一个力矩的作用，即自旋-轨道力矩，该力矩会在z方向上产生一个有效场，推动磁畴壁发生移动，相应地，器件的电阻随外磁场Hx在±10 Oe范围内线性变化。当电流极性改变后，有效场的方向也发生变化，因此正负电流下的RH-Hx曲线是关于x轴对称的（图2b）。如果同时施加一个y方向的小磁场，因此没有z方向的有效场，DW会保持在器件中央，对应地（图2c）。在x或z方向磁场下，施加x方向电流改变了DW位置后，撤去电流和磁场，DW不会回到原来位置上，即具有非易失性，器件对磁场具有记忆功能。
同样地，在器件y方向通电流时，y方向和z方向磁场可以调控RH，而x方向磁场（小于各向异性场）不会对RH造成变化。
图3：经过加/减操作后得到的三个方向的磁场对RH的调控作用。
对于一个矢量磁场，根据RH在三个方向的磁场以及正负电流下的不同响应特性（图2中的曲线的对称特性），经过简单的操作方式，可以将三个方向磁场分量对于反常霍尔电阻的单独贡献分离出来。具体来说，将正负电流下的R-H曲线相减，可以抵消掉Hz分量的贡献，而Hy没有贡献，从而得到Hx的单独贡献（图3a）；通过将正负电流下的R-H曲线相加，可以抵消掉Hx的贡献而得到Hz的单独贡献（图3c）。同样地，若电流方向沿y方向，如图1b所示，经过以上相应的操作，可以分别得到Hy（图3b）和Hz对RH的单独贡献。至此，三个分量对RH的单独作用均已获得，我们可以根据电阻得到三个磁场分量的大小，从而可以得到矢量磁场的大小和方向。
此工作是基于以前自旋轨道力矩忆阻器件工作的延伸，此课题组于2019年首次在垂直磁各向异性Ta/CoFeB/MgO异质结器件中实验发现了忆阻效应并可用于神经形态计算(Adv.Electron. Mater., 5, 1800782 (2019), Appl. Phys. Lett. 114, 042401 (2019))，于2021年在实验上利用自旋轨道力矩忆阻效应实现了可用于模拟电路中的积分器等功能器件(Appl. Phys. Lett. 118, 052402 (2021))，并利用自旋轨道力矩真随机数发生器构建低功耗小面积人工神经网络(Appl.Phys. Lett. 118, 052401 (2021))。
我院游龙教授为本文通讯作者，博士生李若凡与张帅为本文共同第一作者，合作者包括华中科技大学光学与电子信息学院杨晓非教授、Jeongmin Hong研究员、欧阳君副教授、博士后郭喆、博士生罗时江，兰州大学席力教授、硕士生许炎，湖北大学讲师宋敏等。另外，本文也受到了华中科技大学光学与电子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
