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本文首次报道了在室温下，利用石墨烯非局域自旋阀器件中的纯自旋流，实现对范德华(vdW)磁体Fe5GeTe2中磁自旋织构的全电学探测。通过设计纳米级收缩区或缺口，成功稳定了独特的自旋织构，并观测到反常的多级自旋阀开关及Hanle自旋进动信号，为在集成化二维自旋电子电路中直接访问自旋织构提供了新途径。
1. 引言
在磁性材料中，当离散对称性被自发打破时，便会产生自旋织构，例如畴壁或斯格明子。对这类自旋织构的操控与动态激发是未来数据存储与逻辑技术应用的关键。然而，传统的探测方法主要依赖于各类显微技术，如磁光克尔效应、氮空位磁力计、磁力显微镜等，限制了其在集成器件中的应用。二维范德华磁体的发现，为实现原子层级的磁性与自旋动力学控制带来了希望。这类材料中存在共存的奇异条状磁畴和多种斯格明子自旋织构，为设计新颖的自旋电子器件提供了可能。本文的工作，即旨在开发一种全电学的方法，来探测范德华磁体中的这些自旋织构。
2. 结果与讨论
2.1 具有收缩结构的Fe5GeTe2自旋织构自旋阀器件
研究团队设计并制备了一种横向自旋阀器件，其关键创新在于使用了一种具有收缩结构的范德华磁体Fe5GeTe2作为自旋注入电极。该器件结构包括一个用于形成和钉扎自旋织构的收缩Fe5GeTe2电极，以及一个用作探测器的标准钴电极。自旋从Fe5GeTe2的自旋织构注入石墨烯沟道，传输后被钴电极非局域地探测。
实验测量显示，该收缩结构Fe5GeTe2自旋阀在室温下表现出反常的多态开关行为，这与传统的单畴自旋阀信号形成鲜明对比。通过分析磁场扫描曲线，可以分解出单畴和自旋织构两种信号成分。自旋织构在低磁场下由于净磁化强度接近零，导致自旋阀信号呈现一个中间电阻态。随着磁场增加，自旋织构被破坏并重新排列成单畴，信号随之切换。这种多级开关行为证明了收缩结构有效地稳定了Fe5GeTe2中的自旋织构。
2.2 对照实验及与传统单畴自旋阀器件的比较
为了明确区分自旋织构信号，研究团队进行了系统的对照实验。他们比较了收缩Fe5GeTe2-Co自旋阀、传统Co-Co自旋阀以及无收缩的参考Fe5GeTe2-Co自旋阀的信号。结果表明，收缩结构的存在是观测到多级开关信号的关键，它有效地钉扎并分割了磁畴，形成了自旋织构与单畴共存的态。
此外，低温测量进一步揭示了自旋织构的独特性质。在60开尔文的低温下，自旋阀信号幅值显著增大，矫顽场向高场移动，并且出现了更精细的开关特征。值得注意的是，自旋织构成分的“恢复场”基本不随温度变化，而矫顽场却增大了，这与传统铁磁畴的行为不同，可能与收缩结构引起的钉扎效应有关。
2.3 具有缺口结构的Fe5GeTe2自旋织构自旋阀器件
为了验证几何结构对自旋织构钉扎的普适性，研究团队还制备了在Fe5GeTe2电极上引入缺口的器件。该器件同样观测到了清晰的多态开关信号，证明了自旋织构与单畴态的共存。对小回线的详细研究表明，自旋织构成分表现出明显的磁滞效应，但其对齐场和恢复场不受磁场扫描历史的影响，这进一步证实了自旋织构被稳定地钉扎在缺口位置。
2.4 自旋织构自旋阀器件中的Hanle自旋进动测量
Hanle自旋进动测量被用来分析自旋成分的极化方向。通过施加面外磁场（zHanle）和沿沟道方向的磁场（xHanle），可以评估不同方向的自旋极化。分析表明，在低场下，对Hanle信号的主要贡献来自Fe5GeTe2的单畴部分，而自旋织构成分由于净磁化强度接近零，对Hanle信号贡献很小。
通过精心控制钴电极与Fe5GeTe2单畴成分的磁矩平行与反平行排列进行Hanle测量，结果证实单畴成分同时存在Sx和Sy自旋极化，这与Fe5GeTe2本身的倾斜磁化特性一致。在高场区域，xHanle信号的开关行为与参考自旋阀信号类似，表明此时自旋织构成分和单畴成分都发生了重排。这些Hanle测量结果进一步确认了自旋织构的存在以及Fe5GeTe2中单畴成分的倾斜磁性。
2.5 展望
这项工作首次展示了利用石墨烯基横向自旋阀器件中的纯自旋输运，全电学地探测范德华磁体中的磁自旋织构。通过在Fe5GeTe2中设计收缩或缺口结构，成功创造了稳健的自旋织构，并在室温下通过石墨烯沟道实现了电学探测。与基于传统磁性层的磁隧道结或赛道存储器技术不同，该方法提供了一种更简单、完全基于二维架构的方案，能够直接电学读取自旋织构信息。展望未来，该方法可扩展到研究纳米级斯格明子及其他拓扑纹理的动力学，并有望为利用二维量子材料丰富自旋景观的神经形态计算架构和非传统存储元件奠定基础。
3. 方法
3.1 器件制备与电学测量
器件制备采用了标准的微纳加工工艺。化学气相沉积生长的石墨烯被转移到带有二氧化硅层的硅衬底上，并通过电子束光刻和氧等离子体刻蚀定义沟道。Fe5GeTe2薄片通过物理气相传输法生长的单晶剥离获得，并在氮气手套箱中干法转移到石墨烯上。非磁性和磁性电极通过多步电子束光刻和电子束蒸发金属制备。测量在室温真空条件下进行，使用电流源和纳伏表记录信号。
