中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
M05組供稿
第71期
2020年09月14日
磁性二維晶體中拓撲磁性斯格明子的發現

  磁性斯格明子(Magnetic Skyrmion)是一种具有手性自旋的纳米磁畴结构,它具有拓扑保护性、低驱动电流密度,以及磁、电场和温度等多物理调控的特性,是未来高密度、高速度、低能耗信息存储器件的核心理想存储单元。开发更多优异性能的磁性斯格明子新材料是目前磁电子学领域的研究热点,也是推进磁性斯格明子实用化的关键。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁学国家重点实验室M05组长期从事新型磁性功能材料的探索及物性研究,先后开发出多种磁斯格明子材料新体系。例如,2016年,在六角结构MnNiGa合金中,获得宽温区跨室温的双涡旋磁性斯格明子【见科研进展:寬溫域室溫磁性斯格明子(Skyrmion)研究取得重要進展】;2017年,在Kagome晶格阻挫磁性合金Fe3Sn2中,觀察到具有最高居裏溫度的多拓撲態磁性斯格明子【見科研進展:Kagome晶格阻挫磁體中的多拓撲態寬溫區磁性斯格明子】;2018年,利用聚焦離子束和微納加工技術,制備出單鏈磁性斯格明子器件【見科研進展:實現創記錄高溫穩定單鏈磁斯格明子器件】,並最終觀察到電流驅動單個磁性斯格明子手性翻轉【見科研進展:磁斯格明子自旋手性調控研究取得進展】。同時總結出在中心對稱晶體結構材料中獲得磁性斯格明子的兩個必要條件:即適中的磁單軸各向異性和磁結構不穩定特征。這兩類室溫新材料體系的發現及自旋拓撲態調控研究,爲推進磁斯格明子存儲器件的應用提供了材料和理論支持。

  基于上述研究思路,最近,该课题组博士生丁贝、博士生李泽方和王文洪研究員等与A01组姚湲副研究員合作,在二维磁性材料Fe3GeTe2(FGT)中首次觀察到布洛赫型磁性斯格明子自旋結構。如圖1所示,Fe3GeTe2由Fe(2) - Ge原子形成的六角环和Fe(1)原子形成的三角结构构成层内双层结构,层间穿插两层Te原子分割Fe/FeGe/Fe层。通过精心设计试验,分别采用温度震荡的化学气相输运法和助溶剂法生长出高质量的FGT单晶样品。细致的磁性测量发现该材料在居里温度以下(TC~150K)呈現出適中的磁晶各向異性,而且其磁結構存在不穩定特征。隨後,利用洛倫茲透射電子顯微鏡觀察到FGT單晶薄片樣品中,隨著外加垂直磁場的增加,條狀磁疇逐漸收縮形成磁性斯格明子拓撲磁疇結構(見圖2)。進一步通過場冷實驗,對磁性斯格明子的密度進行了調控,實現了零磁場且高密度的磁性斯格明子晶格結構。由于磁性斯格明子具有拓撲穩定性,可以存在于不同傾角的場冷調控中(見圖3),並結合微磁學模擬,進一步證實該材料中的磁性斯格明子呈布洛赫型磁矩排列。

  特別值得指出,二維範德華磁性材料擁有易于解理和轉移的優點,且在少層甚至單層下能保持長程磁有序,在納米微電子器件中具有巨大的應用價值。因此,該項工作將磁性斯格明子的研究拓展到二維磁性材料,不僅有助于推進磁性斯格明子材料的器件化,也爲深入研究磁性斯格明子的拓撲自旋結構提供了新候選材料體系。

  相关研究内容以题名为“Observation of Magnetic Skyrmion Bubbles in a van der Waals Ferromagnet Fe3GeTe2”发表在《Nano Letters》杂志上。该工作得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持。

  相關工作鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03453

图1. 二维 Fe3GeTe2 (FGT)单晶的晶体结构和磁性。(a) 层间范德华间隙的双层结构示意图。(b) 从ac和ab面分别观察单层FGT晶体结构示意图。(c) X射线衍射图谱,插图是光学照片和劳厄衍射图,显示所看到的晶面为ab面。(d, e) [010]和[001]方向的高分辨STEM HAADF图像。插图显示了双层Te原子的堆积结构和Fe(2) - Ge层的六角环。(f) H//ab面和H//c轴条件下测得的ZFC和FC的磁热曲线,二者在居里温度之下不重合,表明FGT单晶具有不稳定磁结构特征。插图为T = 10K 时磁化曲线,表明FGT单晶具有适中的磁晶各向异性。

图2. (a - d) 零场冷操作后,不同温度下磁畴的欠焦洛伦兹照片;(a) 中插图为选区电子衍射,表明样品表面为ab晶面。当温度低于130K,条状磁畴自发地出现,随着温度降低更加清晰可见;(e -f) 温度在110K时,条状磁畴随外加磁场演化的欠焦洛伦兹照片;(e) 插图为外加磁场方向,垂直于ab晶面。随着垂直磁场增加条状磁畴 (e) 逐渐转变为磁性斯格明子(f - g),并最终形成铁磁态 (h),比例尺为500nm。

图3. (a - d) 不同倾角场冷(600Oe)调控,温度在93K时磁性斯格明子的欠焦洛伦兹照片。【插图为倾角方向(a)α=-20°,(b)α= 0°,(c)α= + 20°,和(d)β=-10°】。(e, f) 温度在93K、零场条件下拍摄的磁性斯格明子的欠焦和过焦洛伦兹图像。比例尺为200nm。 (g)结合(e)和(f)图,TIE处理之后的磁性斯格明子晶格面内自旋结构。(h)单个磁性斯格明子面内自旋结构:各点磁化方向,如右下角色轮所示;磁性斯格明子的磁矩呈涡旋态排列,表明是布洛赫型磁性斯格明子。