三维矢量磁场测量对于磁导航、生物医学诊断和显微成像的发展至关重要。目前，多种物理机理已经被用于磁传感器的开发，包括霍尔效应、磁阻效应、磁阻抗效应以及超导量子干涉等。然而，这些矢量磁传感器仅为单轴灵敏。为了实现三维磁场的检测，传统的三维磁传感器需要在三个正交平面上的多个传感器的协作，这导致传感器设计复杂、尺寸较大和不可避免的非正交失准。最近提出的基于铁磁/重金属异质结构的自旋轨道转矩传感器由于电流极性相关磁化动力学的不同对称性可以分别检测三个方向上的磁场分量。然而，强垂直磁各向异性导致该自旋轨道转矩三维传感器的灵敏度相对较小，且该器件工作时施加的大于MA/cm2的驱动电流密度产生的显著焦耳热效应会导致传感器的高功耗和大噪声。因此，如何实现小电流驱动的高灵敏自旋轨道转矩三维磁场传感器具有重要的实用价值与科研意义。
针对这一科学问题，西安交大刘明教授课题组实现了具有强自旋轨道耦合和反常霍尔效应的Pt/Co/Ta异质结构组成的三维磁场传感器。该工作引入磁各向异性能工程，通过磁退火降低Pt/Co异质结构中的垂直磁各向异性，使得三维传感器在1.1 MA/cm2电流密度的驱动下，z轴、x轴和y轴灵敏度分别达到15778.5、410和484 V/A/T。并且，随着退火温度的进一步提高，Pt/Co异质结构中成功诱导出易锥磁状态，其沿z轴灵敏度高达31196 V/A/T，相比较传统霍尔传感器的最优值提升了一个数量级。更重要的是，易锥状态下传感器的驱动电流密度仅为3.8 kA/cm2，相比传统SOT磁传感器件降低了三个数量级，并且在1 Hz下获得了27.7 nT/Hz1/2的低等效磁噪声。为了解决弱垂直磁各向异性传感器无法检测交流磁场和易锥态传感器无法测量面内磁场的问题，此研究工作进一步开发了结合各向异性磁阻传感单元和易锥态反常霍尔传感单元组成的集成三维磁传感器以测量交流和直流磁场，该传感器在x、y和z轴方向上等效磁噪声分别达到：1.44、1.84和27.7 nT/Hz1/2@1 Hz，为进一步开发低功耗、高灵敏以及微型化的三维磁场传感器提供了重要参考。
两种类型三维磁场传感器：Ⅰ型三维磁场传感器Co/Pt异质结构的磁化状态；Ⅱ型三维传感器结构设计。
Ⅰ型三维磁场传感器检测三维磁场
Ⅱ型三维磁场传感器检测三维磁场
该研究结果以“利用易锥态实现自旋轨道转矩三维磁场传感器的超高灵敏度和低驱动电流” (Easy-cone magnetic state induced ultrahigh sensitivity and low driving current in spin-orbit coupling 3D magnetic sensors)为题目在国际著名期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上发表。团队博士研究生苏玮、胡忠强教授以及李耀进助理教授为共同第一作者，王志广教授、刘明教授为通讯作者，合作者包括西安交通大学机械学院蒋庄德院士、王琛英副教授。这一工作是刘明教授团队在电控铁磁薄膜界面磁性实现二维矢量磁场传感器及高性能磁电传感器之后，围绕三维磁场检测的进一步研究，对未来低功耗、高集成度、高灵敏三维磁场器件的开发提供了新思路。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202211752
