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磁斯格明子自旋手性調控研究取得進展

2019-12-18 物理研究所
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  磁斯格明子(Magnetic Skyrmion)是一種具有手性自旋的納米磁疇結構單元。由于它具有拓撲保護穩定性、低驅動電流密度(比驅動傳統磁疇壁低5~6個數量級)以及對磁場、溫度和電場等多物理作用靈敏響應等特性,被認為是未來高密度、高速度、低能耗存儲器件的理想信息載體。

  磁斯格明子存儲器件的設計主要基于賽道存儲的概念,即利用自旋極化電流驅動磁斯格明子的產生、消失、連續運動,進而對磁斯格明子荷載的信息進行讀取。最近理論研究表明,自旋極化電流除了可以對磁斯格明子進行上述操作外,還可以精確調控其拓撲自旋結構,例如利用電流驅動磁斯格明子空間自旋手性(helicity)的反轉。此種調控將多態存儲的概念引入到傳統二元存儲領域,從而極大地豐富磁斯格明子存儲器件的設計思路和構建方式,這對磁斯格明子的應用拓展和基礎物性研究都具有重要的科學意義,是該研究領域關注的科學問題之一。

  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M05研究組近年來圍繞新型磁斯格明子材料設計、性能調控和器件物理開展了一系列系統的研究,先后獲得了MnNiGa和Fe3Sn2兩類具有自主知識產權的寬溫區磁斯格明子新材料體系[Adv. Mater. 28, 6887(2016); Adv. Mater. 29, 1701144 (2017)],并在這兩類新體系的物性調控和器件物理研究方面取得一系列進展。例如,在高質量Fe3Sn2單晶合金中獲得創紀錄寬溫度區間穩定的磁斯格明子單列結構[Nano Lett. 18, 1274 (2018)],并設計研發出調控磁斯格明子拓撲態的空間幾何受限新工藝[ASC Nano 13, 922 (2019)];與普林斯頓大學等相關課題組合作,在Fe3Sn2單晶合金中觀察到電子結構向列相及各向異性拓撲態[Nature 561, 91 (2018)],并觀察到磁斯格明子誘發的拓撲霍爾效應[Appl. Phys. Lett. 114,192408 (2019)];近期又在MnNiGa合金中實現了利用水平磁場對磁斯格明子自旋手性的調控[Phys. Rev. Applied 12,054060 (2019)]。這些前期研究積累,初步驗證了兩類新材料用于制作高密度磁存儲器件的可行性,也為電流調控磁斯格明子拓撲自旋結構的研究奠定了材料與物理基礎。

  最近,該課題組博士后侯志鵬(目前就職華南師范大學)、博士生李航和博士生丁貝和研究員王文洪等,在磁斯格明子自旋手性的調控及其機理研究方面取得新進展。他們在前期Fe3Sn2研究工作基礎上,通過空間幾何受限的方法,獲得了具有高溫區穩定性的磁斯格明子單列結構。同時,結合聚焦離子束和微納加工等技術,成功制備出單列磁斯格明子微納器件,并實現了磁性斯格明子在寬達530K(100-630K)的溫區內等間距規則排列(圖1)。隨后,他們利用高分辨洛倫茲透射電鏡并結合電流脈沖技術,實時觀測到電流驅動磁斯格明子自旋手性的反轉現象。如圖2所示,在外加脈沖電流的能量密度達到109~1010A/m2這個門檻值(比驅動傳統磁疇壁低2~3個數量級),磁斯格明子自旋排列的手性在左旋(counterclockwise)和右旋(clockwise)之間交替變換。進一步,他們結合微磁理論模擬獲得了自旋手性反轉過程的一個完整物理圖像。如圖3所示,當能量較小的極化電流通過單列磁斯格明子微納器件,在自旋轉移力矩的作用下,幾何受限磁斯格明子的形狀會發生扭曲。但由于受拓撲保護,扭曲的磁斯格明子拓撲自旋結構不會發生改變。而由于左旋和右旋手性的磁斯格明子具有相同的能量,當注入的極化電流能量足夠跨越兩種自旋態之間的勢壘時,磁斯格明子的自旋手性會在自旋轉移力矩驅動下,在左旋和右旋之間發生連續反轉,整個(左旋→右旋或右旋→左旋)翻轉過程在幾個納秒之內完成。

  該工作所揭示的幾何受限磁斯格明子自旋手性反轉的物理圖像,不僅對磁斯格明子自旋結構的多場調控研究具有重要價值,同時也對磁斯格明子材料器件應用化具有重要的指導意義。相關工作的核心成果近期以Current-Induced Helicity Reversal of a Single Skyrmionic Bubble Chain in a Nanostructured Frustrated Magnet 為題發表于《先進材料》(Advanced Materials)雜志上。

  該工作得到科技部(2017YFA0303202)、國家自然科學基金委(11574137, 11604148, 11874410, 11974298,61961136006)以及中科院(KJZD-SW-M01)等的支持。參與該工作合作研究的還包括沙特國王科技大學教授張西祥團隊、香港中文大學(深圳)教授周艷團隊和日本東京大學教授Motohiko Ezawa等。

  文章鏈接:1 2

圖1. 基于Fe3Sn2單晶合金的單鏈磁斯格明子微納器件。

圖2. 電流驅動Fe3Sn2單晶中磁斯格明子自旋手性反轉的實驗研究。

圖3.電流驅動磁斯格明子自旋手性反轉過程的微磁理論模擬。

打印 責任編輯:葉瑞優

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