Advanced Materials:多铁异质结——铁电和反铁磁序驱动磁性拓扑态的形成

磁性拓扑态(斯格明子)是具有拓扑保护的磁畴结构,因为具有小尺寸(<100 nm)和低的驱动电流密度,在未来的自旋电子学和高密度存储器件方面有很好的应用前景,受到了各个研究领域的广泛关注。目前发现的磁性拓扑态主要是有界面的DM(Dzyaloshinskii-Moriya)相互作用驱动而形成的,主要存在于超薄材料的界面和表面处,这为其未来的实际应用带了很大的挑战。研究发现界面DM相互作用随着材料厚度快速的下降是造成这种行为的根本原因。因此如何克服界面DM相互作用的限制是把界面磁性拓扑态扩展到体态的重要途径之一。

新加坡国立大学陈景升课题组应用激光分子束外延技术把多铁材料铁酸铋(BiFeO3)和磁性氧化物钌酸锶(SrRuO3)生长在一起,制备了高质量的多铁异质结。充分利用了BiFeO3铁电极化打破BiFeO3/SrRuO3界面上的对称性,形成了界面DM;再利用BiFeO3的反铁磁序与SrRuO3形成强的磁性耦合调控界面的磁组态。反常霍尔效应测试显示与磁性拓扑态相关的拓扑霍尔效应(THE)可以在40个单包厚的SrRuO3薄膜中出现,这远远扩展了纯铁电极化驱动的磁性拓扑态的厚度(5个单包)。中国科学院金属研究所功能材料与器件研究部代莹莹副研究员通过微磁学模拟深入的研究了铁电极化和反铁磁耦合等各项参数对多铁异质结中的磁性斯格明子影响,画出了磁性斯格明子的形成条件相图,从理论上证实了本研究提出的实验方案。值得说明的是,BiFeO3/SrRuO3异质结中的斯格明子的直径仅为20~30 nm,这在高密度存储器件方面有潜在的应用价值。本研究的实验方案可以直接推广到其他具有磁性耦合的异质结中。

研究者相信,此项研究为克服界面DM相互作用的限制和扩展界面磁性拓扑态提供了实际有效的方案,为拓扑电子学的发展提供了实验和理论基础。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201904415)上。