Advanced Materials:霍尔天平中磁性斯格明子的实空间观察和多场调控

大数据时代使得人类社会的数据交流日益频繁,同时也对信息技术提出了更高的要求。从应用的角度来看,高集成密度(3D存储模式)、低能耗和高运算效率的电路模式将占据最高的优先级并成为产业化和商业化的首选。近年来,利用电子自旋属性进行信息存储的自旋电子学领域发展迅猛,极大地推动了信息产业的变革式发展。如何进一步推动信息存储密度的大幅提升并突破当前二组态(“0”和“1”)存储模式是该领域遇到的前所未有的挑战。磁性斯格明子是一种具有拓扑非平庸态的自旋结构,由于其具有高密度存储和低功耗驱动电流密度等诸多优势,成为自旋电子学领域近期的研究热点。但是,由于铁磁多层膜中磁性斯格明子运动会受到斯格明子霍尔效应(电流驱动过程中,磁性斯格明子在马格努斯力作用下,其运动轨迹发生横向偏转)的困扰,极大地阻碍了其在赛道存储等自旋电子学器件中的应用。微磁学模拟等理论工作表明:反铁磁材料中的两套相反的自旋晶格可以有效地消除马格努斯力,使得反铁磁材料中磁性斯格明子在电流驱动下可以保持直线运动。实验上,对于具有两套完全相反自旋晶格的反铁磁薄膜进行磁性斯格明子实空间观察难度极大,十分具有挑战性。霍尔天平是由中国学者率先提出并成功制备出来的一种多组态存储材料,其核心结构为垂直铁磁层/隔离层/垂直铁磁层的三明治结构。利用双铁磁层的层间耦合调控,可以实现上下两层磁矩的平行和反平行的切换,在实现多组态存储的同时,也可在同一存储单元实现可编程逻辑门操作,这就为3D存储模式下的存算一体化构架设计提供了一条可选之路,因此受到人们的普遍关注。

近期,北京科技大学王守国教授、张静言博士和合作者们(主要有中国科学院物理研究所张颖研究员、朱涛研究员、于国强研究员和沈保根院士,四川师范大学赵国平教授),在磁性斯格明子的实空间观察和多场调控及其机理研究方面取得了重要进展。研究团队在长期优化的霍尔天平材料基础上,利用高分辨洛伦兹透射电镜结合电流脉冲技术,成功地实现了室温下高密度奈尔型磁性斯格明子的观察与调控。同时,利用中国散裂中子源大科学装置平台的中子反射谱仪对霍尔天平的磁结构进行了精确解析,研究结果发现霍尔天平的层间耦合作用导致了界面磁矩的可控倾斜,这为磁性斯格明子的产生和调控提供了有效途径。进一步结合微磁学模拟,团队研究了磁性斯格明子与层间耦合作用、磁矩倾斜角度和电流调控作用的内在关系,为深入理解霍尔天平中磁性斯格明子的产生和多场调控的物理机理提供了实验和理论依据。此外,微磁学模拟还揭示了具有反铁磁耦合的霍尔天平中磁性斯格明子动力学行为,研究结果显示该材料体系中的斯格明子霍尔效应完全消失,磁性斯格明子在电流驱动下保持直线运动。上述结果为后续的基于霍尔天平结构的磁性斯格明子赛道存储等新型器件设计提供了有力的实验和理论基础。

该研究成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。相关工作近期以“Magnetic skyrmions in a Hall balance with interfacial canted magnetizations”为题发表于Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201907452)。