中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
M07組供稿
第90期
2020年11月12日
實空間新型拓撲磁激發在磁性二維材料以及人工反鐵磁薄膜中的發現與調控

  兼具温度、电流、磁场等多物理场协同调控的高分辨洛伦兹透射电镜在实空间探索纳米尺度新型磁畴结构,原位揭示与磁相关的新奇物理现象微观机制以及自旋原理性器件应用方面发挥着越来越重要的作用。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M07组张颖研究团队在沈保根院士、磁学实验室以及物理所的大力支持下搭建了集微纳加工、高分辨磁畴多物理场调控、小尺度电输运测量于一体的高分辨率磁畴动力学研究平台,自主发展了原位调控拓扑磁畴的新方法。近几年运用该方法从微观角度重点研究了纳米尺度磁性斯格明子生成与调控,研究材料包括DMI非中心对称FeGe单晶(Nano Lett. 18 (2018) 7777)、中心對稱磁性塊體(Adv. Mater. 28 (2016) 6887,Nano Lett. 17 (2017) 7075,Phys. Rev. Mater. 2 (2018)104408,Nanoscale, 11(2019)4999)以及磁性薄膜(Phys. Rev. B 97 (2018) 174419)等多種材料體系,並拓展到磁渦旋(Acta Mater. 140 (2017) 465)、磁泡(Nanoscale 10 (2018) 2260)等多種非線性磁疇結構,揭示了非線性拓撲磁疇結構的形成規律和物理機制,實現了零磁場下、寬溫區內可作爲非易失磁性存儲單元的高密度拓撲磁疇結構,促進了新型拓撲自旋電子器件的應用以及新物態、新功能、新材料的發現。

  鐵磁材料的條狀磁疇一般被認爲是斯格明子産生的基態,斯格明子在電流驅動下的行爲是其應用的關鍵,然而實驗與理論模擬均表明鐵磁材料中的斯格明子在電流作用下的拓撲霍爾效應會使斯格明子的運動軌迹偏離,限制了其在自旋電子器件的應用。反鐵磁材料由于磁矩相反使得拓撲霍爾效應抵消,有望保證拓撲磁疇結構沿直線運動,因此研究反鐵磁材料中拓撲磁疇結構的生成與調控,探索新型拓撲磁疇結構、新型拓撲磁性材料是當前拓撲磁疇結構在自旋電子學應用的重要研究方向。

  張穎研究團隊利用上述磁疇研究平台和原位拓撲磁疇電流調控方法,近期分別與清華大學宋成教授團隊([Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]多層膜,圖1)和北京科技大學王守國教授團隊([Co/Pt]n/NiO/[Co/Pt]n多層膜,圖2)合作,首次在人工反鐵磁薄膜中實現了高密度、零場斯格明子。不同于鐵磁材料中條狀磁疇基態,研究發現人工反鐵磁薄膜因磁矩相互抵消呈現的無磁疇基態也可以調控出零場、高密度斯格明子,而且電流、磁場協同調控所需磁場遠小于鐵磁材料。由無磁疇基態到高密度斯格明子兩種磁狀態的可控調控,爲自旋電子學信息存儲和邏輯運算提供了更多可能。上述工作分別發表在Nano Lett. 20, 3299 (2020)Adv. Mater. 32, 1907452 (2020)

  在新型拓扑磁畴结构、新型拓扑磁性材料的探索方面,张颖研究員带领联合培养硕士生高阳,与中国人民大学物理系雷和畅教授团队和北京科技大学王守国教授合作,首次在二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中觀察到了一種新型拓撲磁激發態--疇壁麥紉鏈(圖3),由180°磁疇壁演變形成。宏觀物性測量進一步揭示了該拓撲激發態是由溫度降低磁各向異性c方向到ab面轉變時的自旋重取向誘發(圖4),同時受到磁疇壁的限制以及c方向弱范德华力共同作用而形成,其根源是Fe(1)原子有序度的变化。畴壁上麦纫态的实空间解析、拓扑霍尔电阻峰值的变化及其在外加磁场和电压作用下的整体运动行为(图5),不仅实验证实了新型畴壁拓扑态的存在,还为进一步探索新型拓扑磁畴结构及其应用提供了一个全新的平台。相关研究内容发表在《Advanced Materials》杂志上。

  相關研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項(B類)、中國科學院海西創新研究院以及中科院青促會的支持。

文章鏈接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.0c00116
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907452
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005228

图1. 人工反铁磁多层膜 [Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]/Ru/[Co/Pd] 中,洛伦兹透射电镜电流、磁场协同调控生成零场、高密度斯格明子。

图2. 人工反铁磁多层膜[Co/Pt]n/NiO/[Co/Pt]n中,洛伦兹透射电镜电流、磁场协同调控生成零场、高密度斯格明子。

图3. 二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中,溫度降低時原位實空間觀察新型拓撲磁激發態--疇壁麥紉鏈由180°磁疇壁演變過程。

图4. 二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中,新型拓撲磁激發態--疇壁麥紉鏈産生機制與根源。(a-c)溫度降低時磁各向異性轉變發生自旋重取向,(d-e)溫度降低Fe(1)位原子有序引起結構有序度的變化,是影響宏觀物性的根源。

图5. 二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中,新型拓撲磁激發態--疇壁麥紉鏈在外加電壓(a-c)和磁場(d-g)下的動力學行爲。