三維矢量磁場測量對于磁導航、生物醫學診斷和顯微成像的發展至關重要。目前，多種物理機理已經被用于磁傳感器的開發，包括霍爾效應、磁阻效應、磁阻抗效應以及超導量子干涉等。然而，這些矢量磁傳感器僅為單軸靈敏。為了實現三維磁場的檢測，傳統的三維磁傳感器需要在三個正交平面上的多個傳感器的協作，這導致傳感器設計復雜、尺寸較大和不可避免的非正交失準。最近提出的基于鐵磁/重金屬異質結構的自旋軌道轉矩傳感器由于電流極性相關磁化動力學的不同對稱性可以分別檢測三個方向上的磁場分量。然而，強垂直磁各向異性導致該自旋軌道轉矩三維傳感器的靈敏度相對較小，且該器件工作時施加的大于MA/cm2的驅動電流密度產生的顯著焦耳熱效應會導致傳感器的高功耗和大噪聲。因此，如何實現小電流驅動的高靈敏自旋軌道轉矩三維磁場傳感器具有重要的實用價值與科研意義。

兩種類型三維磁場傳感器

針對這一科學問題，西安交大劉明教授課題組實現了具有強自旋軌道耦合和反常霍爾效應的Pt/Co/Ta異質結構組成的三維磁場傳感器。該工作引入磁各向異性能工程，通過磁退火降低Pt/Co異質結構中的垂直磁各向異性，使得三維傳感器在1.1 MA/cm2電流密度的驅動下，z軸、x軸和y軸靈敏度分別達到15778.5、410和484 V/A/T。并且，隨著退火溫度的進一步提高，Pt/Co異質結構中成功誘導出易錐磁狀態，其沿z軸靈敏度高達31196 V/A/T，相比較傳統霍爾傳感器的最優值提升了一個數量級。更重要的是，易錐狀態下傳感器的驅動電流密度僅為3.8 kA/cm2，相比傳統SOT磁傳感器件降低了三個數量級，并且在1 Hz下獲得了27.7 nT/Hz1/2的低等效磁噪聲。為了解決弱垂直磁各向異性傳感器無法檢測交流磁場和易錐態傳感器無法測量面內磁場的問題，此研究工作進一步開發了結合各向異性磁阻傳感單元和易錐態反?；魻杺鞲袉卧M成的集成三維磁傳感器以測量交流和直流磁場，該傳感器在x、y和z軸方向上等效磁噪聲分別達到：1.44、1.84和27.7 nT/Hz1/2@1 Hz，為進一步開發低功耗、高靈敏以及微型化的三維磁場傳感器提供了重要參考。

該研究結果以“利用易錐態實現自旋軌道轉矩三維磁場傳感器的超高靈敏度和低驅動電流” (Easy-cone magnetic state induced ultrahigh sensitivity and low driving current in spin-orbit coupling 3D magnetic sensors)為題目在國際著名期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上發表。