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

  兼具溫度、電流、磁場等多物理場協同調控的高分辨洛倫茲透射電鏡在實空間探索納米尺度新型磁疇結構,原位揭示與磁相關的新奇物理現象微觀機制以及自旋原理性器件應用方面發揮著越來越重要的作用。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M07組張穎研究團隊在沈保根院士、磁學實驗室以及物理所的大力支持下搭建了集微納加工、高分辨磁疇多物理場調控、小尺度電輸運測量于一體的高分辨率磁疇動力學研究平臺,自主發展了原位調控拓撲磁疇的新方法。近幾年運用該方法從微觀角度重點研究了納米尺度磁性斯格明子生成與調控,研究材料包括DMI非中心對稱FeGe單晶(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,并拓展到磁渦旋(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、寬溫區內可作為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為是斯格明子產生的基態,斯格明子在電流驅動下的行為是其應用的關鍵,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跡偏離,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臺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,為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)

  在新型拓撲磁疇結構、新型拓撲磁性材料的探索方面,張穎研究員帶領聯合培養碩士生高陽,與中國人民大學物理系雷和暢教授團隊和北京科技大學王守國教授合作,首次在二維范德華鐵磁材料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方向弱范德華力共同作用而形成,其根源是Fe(1)原子有序度的變化。疇壁上麥紉態的實空間解析、拓撲霍爾電阻峰值的變化及其在外加磁場和電壓作用下的整體運動行為(圖5),不僅實驗證實了新型疇壁拓撲態的存在,還為進一步探索新型拓撲磁疇結構及其應用提供了一個全新的平臺。相關研究內容發表在《Advanced Materials》雜志上。

  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

圖1. 人工反鐵磁多層膜 [Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]/Ru/[Co/Pd] 中,洛倫茲透射電鏡電流、磁場協同調控生成零場、高密度斯格明子。

圖2. 人工反鐵磁多層膜[Co/Pt]n/NiO/[Co/Pt]n中,洛倫茲透射電鏡電流、磁場協同調控生成零場、高密度斯格明子。

圖3. 二維范德華鐵磁材料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。

圖4. 二維范德華鐵磁材料Fe5-xGeTe2中,新型拓撲磁激發態--疇壁麥紉鏈產生機制與根源。(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。

圖5. 二維范德華鐵磁材料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)下的動力學行為。