薄膜异质结中磁性斯格明子的相关研究

磁性斯格明子由于具有拓扑保护、尺寸小、驱动电流密度低等优异的属性,有望作为未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的信息载体.为了满足器件中信息写入和读取的基本要求,需要在室温下实现斯格明子的精确产生、操控和探测.该综述简要介绍最近我们针对上述问题取得的一系列研究进展,包括:1)证明可以通过控制磁性薄膜材料的垂直磁各向异性在室温下产生斯格明子,并进一步在基于反铁磁的薄膜异质结中发现了室温、零磁场下稳定存在的斯格明子;2)证明能够利用电流产生的自旋轨道力矩操控斯格明子,并进一步制备出一种基于斯格明子的原理型器件,实现了利用电学方式产生和操控数量可控的斯格明子.     

磁性斯格明子的研究现状和展望

磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构.斯格明子主要存在于非中心对称的手性磁性材料以及界面镜面对称性破缺的磁性薄膜材料中.因具有实空间的非平庸拓扑性,磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性,例如拓扑霍尔效应,新兴电磁动力学等,为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台.另一方面,由于其具有尺寸小,高稳定性和易操控的特性,磁性斯格明子在未来高密度,低能耗,非易失性计算和存储器件中也具有潜在应用.现阶段的研究已经初步发现一系列磁斯格明子材料,并证明能够通过电流操控室温下稳定的磁性斯格明子,但是室温下单个斯格明子的精确产生、湮灭以及探测在实验上仍具有挑战性.本文阐述了磁性斯格明子的基础理论以及动力学研究现状,并对现有的斯格明子材料和斯格明子的产生,湮灭以及探测方法进行了总结,最后还对未来磁性斯格明子的物理理论研究以及应用发展中的挑战和机遇进行了讨论.     

室温磁性斯格明子材料及其应用研究进展

磁性斯格明子是一种具有涡旋状非共线自旋结构的准粒子,具有独特的拓扑保护特性,可在极低电流驱动下运动,有望在信息技术领域获得广泛应用.从2015年开始,科学家已经发现了多种室温磁性斯格明子材料,例如斯格明子多层膜、人工斯格明子材料、β-Mn型单晶材料、中心对称材料(铁氧体、六方Ni₂In型)等.其中多层膜材料由于其制备工艺简单、可通过调节各膜层厚度优化性能、器件集成度高等优点而备受关注.这些室温磁性斯格明子材料具有涌生电动势、拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应等特性,有望用来制备多种新型自旋电子器件,例如赛道存储器、微波探测器、纳米振荡器等,其中赛道存储器有望成为下一代非易失性、低能耗和高密度的存储器.本文首先介绍了磁性斯格明子的基本特性,然后综述了近年来室温磁性斯格明子材料的研究进展、制备技术及表征方法,最后简单介绍了用室温磁性斯格明子材料研制赛道存储器、微波探测器等原型器件的研究进展,展望了室温磁性斯格明子材料的未来发展趋势.     

磁性斯格明子的多场调控研究

斯格明子(skyrmion)的概念最早是由英国的粒子物理学家Tony Skyrme提出,它被用来描述粒子的一个状态,是一种拓扑孤立子.磁性斯格明子是一种具有拓扑行为的新型磁结构,其空间尺寸为纳米量级,空间距离从纳米到微米量级可调;其存在温度涵盖从低温、室温到高温的宽温区;其材料体系不仅包括早期发现的低温区B20型中心对称破缺的铁磁体和螺旋磁有序的弱铁磁材料,也包括近期发现的室温及以上的中心对称六角结构磁性MnNiGa金属合金和磁性薄膜/多层膜体系.利用磁性斯格明子的拓扑磁结构可以实现类似于自旋阀或者磁性隧道结中的自旋转移矩效应,即外加电流可以驱动斯格明子,其临界电流密度比传统翻转磁性多层膜体系中磁矩的电流密度(一般为10~7A/cm~2)要低5个数量级,约为10~2A/cm~2,该临界值远低于硅基半导体技术中沟道电流密度的上限,在未来的磁信息技术中具有广泛的应用前景.本综述简单介绍了磁性斯格明子的发展历程,归纳总结了磁性斯格明子的材料体系,介绍了观察磁性斯格明子的实验手段,重点介绍了多场(磁场、电流、温度场)调控作用下中心对称MnNiGa合金和Pt/Co/Ta磁性多层膜体系中磁性斯格明子的产生、消失以及外场调控演变等动态行为.     

高温度稳定性磁斯格明子的材料发现及性能调控

文章报道了阻挫型磁体Fe₃Sn₂中高温度稳定性磁斯格明子材料的发现以及利用电流实现斯格明子自旋手性翻转的一系列工作。作者首先基于合金化设计的思想,解决了晶体取向生长困难和易发生包晶反应这两个关键技术难题,生长出了高质量的Fe₃Sn₂单晶样品。通过原位洛伦兹电镜观测发现,该材料体系具有室温磁性斯格明子,并具有多种拓扑形态,而且在外部磁场作用下可以相互转化。作者进一步利用聚焦离子束(FIB)技术,采用空间几何受限方法,制备出了磁斯格明子单链排列的“赛道”纳米条带样品。实验发现,该样品中斯格明子可以在室温到630 K极宽温区内保持其尺寸及间距不变,这表明该材料中斯格明子具有极高的温度稳定性。在这些研究工作基础上,作者在“赛道”纳米条带样品中进一步实现了电流驱动的斯格明子自旋手性翻转。作者这一系列关于高温度稳定性磁斯格明子材料以及相关器件的探索工作,从材料和器件两个方面推进了磁斯格明子材料的实用化。     

中心对称的阻挫磁体中斯格明子直径的调节

在带有垂直各向异性的二维三角晶格磁体中,当同时存在最近邻铁磁性和第三近邻反铁磁性交换作用时,垂直于膜面施加外磁场会使体系内自旋沿着非共面的方向排列,甚至出现拓扑稳定的斯格明子自旋结构.基于蒙特卡罗模拟方法,本文研究了在该二维阻挫磁体中,竞争性交换作用和外磁场对斯格明子直径的影响.与常规非中心对称的手性磁体中的斯格明子性质类似,外磁场会磁化斯格明子外围自旋而减小斯格明子直径.但是,磁体中反铁磁性交换作用的增强会整体压缩斯格明子.本文结合自旋波理论和蒙特卡罗模拟,首次量化了此类阻挫磁体中斯格明子的直径.结果表明:在弱的反铁磁性交换作用磁体中,斯格明子直径随磁场增大而快速线性减小;随着反铁磁性交换作用的增大,斯格明子直径随外磁场增大的减小变得相对平缓,但在强磁场下也会造成斯格明子直径的加速减小;随着反铁磁性交换作用的增强,斯格明子在不同外磁场下的直径的最大值和中值均从逐渐减小到渐趋稳定,而直径的最小值则从快速减小到表现出很大的涨落.这些现象都可以通过分析斯格明子在不同交换作用和外磁场下的构型和磁能变化加以解释.该项工作阐明了在中心对称的阻挫磁体中斯格明子直径的可调节性,不仅完善了我们对斯格明子本身物理机理的认识,同时也为发展基于斯格明子的新一代存储和逻辑器件提供了理论支撑.     

周期性应变调控斯格明子在纳米条带中的运动

斯格明子是一种拓扑稳定的手性自旋结构,凭借其在磁性赛道存储器和自旋电子器件方面的巨大应用潜力而受到研究人员的广泛关注.为了使斯格明子能够更好地应用于磁性赛道存储器,研究斯格明子在纳米条带中的运动行为就变得非常重要.本文主要研究了存在周期性应变的纳米条带中铁磁斯格明子和反铁磁斯格明子在电流驱动下的运动行为.研究结果表明:周期性应变使得驱动电流存在一个临界电流密度,只有当电流密度大于临界电流密度时斯格明子才能够在纳米条带中连续移动.临界电流密度随应变振幅的增加而增加,随应变周期的增加而减小.铁磁斯格明子在周期性应变的调制下会产生周期性运动,轨迹为波浪式,其横向速度受到边界的影响,而纵向速度则与应变梯度成正比.反铁磁斯格明子在周期性应变调控下运动方向不变,但其移动速度则剧烈变化.     

磁性斯格明子的赛道存储

磁性斯格明子是拓扑稳定的自旋结构,它的尺寸小,驱动电流阈值小,被广泛认为是下一代磁性存储的基本单元.斯格明子的主要优势在于它奇特的动力学性质,特别是它能够与传导电子相互作用,在低电流密度驱动下可以在赛道上稳定地运动.本文结合磁性斯格明子赛道存储的最新研究成果,对斯格明子在赛道上的写入、驱动和读出三个方面进行了较为详细的综述.重点介绍了注入自旋极化电流这一最常见的驱动方法,分析了斯格明子在赛道上的堵塞和湮没现象,探讨了斯格明子霍尔效应及其可能造成信号丢失的危害和相关的解决方法,并在此基础上详细介绍了几种斯格明子塞道存储的优化设计方案.最后总结了磁性斯格明子赛道存储面临的一些挑战.     

磁畴壁手性和磁斯格明子的拓扑性表征及其调控

磁性斯格明子由于拓扑的保护性,具有很高的稳定性和较小的临界驱动电流,有望应用于未来的赛道存储器件中.而在中心对称体系,由于偶极作用的各向同性,磁泡的拓扑性和螺旋度都呈现出多样性的特征.其中非平庸的磁泡即等同于磁性斯格明子.我们通过近期实验结果,结合微磁学模拟的方法,发现在中心对称体系中磁斯格明子的拓扑性会受到体系垂直各向异性的调控.另外在加磁场的演变过程中,会很大程度上依赖于基态畴的畴壁特性.磁场的倾斜或者一定的面内各向异性也会改变磁斯格明子的形态.通过对材料的基态磁结构及磁各向异性的调节,辅助以面内分量的控制,可以对基态磁畴、进而对磁斯格明子的拓扑性实现调控.这对磁斯格明子在电流驱动存储器件中的应用具有重要意义.     

磁性斯格明子晶格的磁弹现象与机理

近年来,人们在一些具有手性相互作用的磁性体材料及薄膜中成功观测到具有非平凡拓扑性质的二维自旋结构,称作磁性斯格明子.在大部分情况下,磁性斯格明子自发地聚集成一种晶格结构,称作斯格明子晶格.孤立的斯格明子由于其奇特的拓扑性质以及优异的电流驱动性质等"局域化特征"受到人们的广泛关注.与此相对,斯格明子晶格作为一种新颖的宏观磁性相,可能与材料固有的多场耦合性质发生相互作用进而引发许多奇特的宏观物理现象乃至新性质.在此范畴内,人们发现由于手征磁体内禀的磁弹耦合,斯格明子晶格不但对材料的力学性质产生影响,而且在外力作用下自身具备"层展的弹性性质".本文对相关现象进行梳理,并基于一种针对B20族手征磁体磁弹耦合效应普遍适用的热力学唯象模型,逐一简述对于不同类型的磁弹现象如何建模分析,进而给出其中一部分现象的实验与理论结果比对.最后,对这一领域的发展提出几个可供进一步探索的方向.     

磁斯格明子拓扑特性及其动力学微磁学模拟研究进展

具有非平庸拓扑性的新型磁结构斯格明子,由于其拓扑稳定性、尺寸小、低电流驱动等方面的显著优势,有望应用于自旋电子学储存器件.拓扑和凝聚态物理学的结合,使得斯格明子展现出很多有趣的拓扑物理现象,吸引了众多的研究兴趣,同时这些性质也是其电流驱动下动力学特点的重要影响因素.本文从斯格明子的拓扑物理学基础及其自旋电子学器件应用相关动力学两个方面介绍了相关研究进展.在拓扑物理基础方面,介绍了斯格明子的拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应以及自旋轨道转矩等拓扑性质,由此讨论了斯格明子的动力学性质及其计算方法;在动力学方面,从非均匀电流驱动生成斯格明子、电流驱动下的稳定输运、产生湮灭过程的人工控制几个赛道存储应用关心的问题简要地介绍了相关微磁学模拟研究最新进展.     

纳米结构中磁斯格明子的原位电子全息研究

斯格明子(skyrmion)磁序结构与晶体微观结构的关联是新型功能磁材料和器件研发的重要问题.本文利用微纳加工技术制备了形状、尺寸均可控的磁纳米结构,通过电子全息术观察定量地分析了斯格明子磁序结构,确定了材料晶格缺陷和空间受限效应对斯格明子磁结构形成和稳定机制的影响,系统地分析了斯格明子基元的磁功能与材料微结构的关联.文中主要探讨了两个问题:1)斯格明子在磁纳米结构中的空间受限效应.重点研究斯格明子磁序随外磁场和温度变化的演变规律,探索其演变过程的拓扑属性和稳定性;2)晶格缺陷对斯格明子磁结构的影响,重点考察晶界原子结构手性反转对斯格明子磁序的影响.这些研究结果可为研发以磁斯格明子为基元的磁信息存储器及自旋电子学器件提供重要实验基础.     

磁畴壁拓扑结构研究进展

拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势,有望提高数据读写精度、降低功耗,从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件,为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持.但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点,严重阻碍了其在实际器件中的应用,因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键.本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来,利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作.首次在范德瓦耳斯Fe_5–xGeTe₂二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链,研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为,揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制.在该机制指导下,设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜,不仅获得了磁畴壁麦纫,验证了生成机制的普适性,还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变,开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展...     

磁斯格明子器件及其应用进展

磁斯格明子是一种具有准粒子特性的拓扑纳米磁畴壁结构.由于磁斯格明子具有较好的稳定性和新奇的动力学特性,并可被磁场、电场、电流等方式调控,有望成为高密度、低耗能、非易失性信息存储及逻辑运算的新兴信息载体.自2009年磁斯格明子首次被实验观测到至今,已有多种基于磁斯格明子的器件概念和原型器件被提出.本文对基于磁斯格明子应用的研究进展进行综述,对现阶段几种具有代表性的磁斯格明子器件应用进行简要介绍、分析和总结,包括基于磁斯格明子的赛道存储器件、逻辑计算器件、类晶体管功能器件和纳米级微波振荡器;同时阐述了几种可能的通过磁斯格明子表达二进制信息元的方法;并展望了磁斯格明子的其他潜在应用以及未来基于磁斯格明子器件应用的发展方向.     

电流驱动凹槽磁纳米带内斯格明子的移动特性

基于微磁学理论和模拟研究电流驱动的斯格明子的移动特性.相对于纳米带,凹槽纳米带可提供更大的边缘排斥力抑制斯格明子横向移动,最大驱动电流(Jmax)和最大斯格明子移动速度(Vmax)显著增加.随着注入电流密度的增加,凹槽纳米带内斯格明子移动速度先增加到最大速度,而后减小或保持不变.通过增加边缘宽度或厚度,Jmax和Vma...     

铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应

在铁磁/非磁金属异质结中,界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用会诱导诸如磁性斯格明子等手性磁畴壁结构的形成.当巡游电子通过手性磁畴壁结构时,会获得一个贝里相位,而相应的贝里曲率则等效于一个外磁场,它将诱导额外的霍尔效应,即拓扑霍尔效应.拓扑霍尔效应是当前磁性斯格明子和自旋电子学研究领域的热点之一.本文由实空间贝里相位出发,简要介绍了拓扑霍尔效应的物理机制;然后着重讨论了铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应,包括磁性多层膜中和MnGa/重金属双层膜中的拓扑霍尔效应.这两种结构都可以通过改变材料的厚度、种类、生长方式等调控界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,从而有效地调控磁性斯格明子和拓扑霍尔效应.     

宽温域跨室温磁斯格明子材料的发现及器件研究

报道了阻挫型磁体Fe_3Sn_2单晶中宽温域跨室温磁斯格明子的发现及其"赛道型"微纳器件的初步探索.通过合金化设计和实验,突破晶体取向生长和克服包晶反应两个关键技术难关,制备出了高质量的Fe_3Sn_2单晶.原位洛伦兹电子显微镜结果表明,在该材料体系中,磁斯格明子具有多种拓扑结构,并可以在一定磁场下相互转化.基于高质量的Fe_3Sn_2单晶,利用聚焦离子束技术,进一步制备出了600 nm宽并具有磁斯格明子单链排列的"赛道性"微纳器件.实验结果表明,该单链磁斯格明子具有极高的温度稳定性:单个磁斯格明子的尺寸以及相邻两个磁斯格明子之间的距离可以在室温到630 K宽温区内保持不变.宽温域跨室温磁斯格明子材料Fe_3Sn_2的发现及单链"赛道型"微纳器件的成功制备,从材料和器件两个方面推进了磁斯格明子材料的实用化.     

斯格明子电子学的研究进展

在过去的半个世纪中,微电子技术一直沿着著名的摩尔定律快速发展,当前已经达到单芯片可集成上百亿晶体管.然而随着晶体管尺寸的缩小,因量子效应所产生的漏电流及其所导致的热效应使得这一定律遇到瓶颈.自旋电子技术由于引入了电子自旋这一全新的自由度,将有望大幅度降低器件功耗,突破热效应枷锁.斯格明子是一种具有拓扑保护的类粒子自旋结构,有望成为下一代自旋电子信息载体,引起了从物理到电子领域的广泛关注.由于其特殊的拓扑性质,斯格明子具备尺寸小、结构稳定、驱动阈值电流小等诸多优点,室温下斯格明子的成核、输运及探测进一步验证了其广泛的应用潜力,由此诞生了研究相关器件及应用的斯格明子电子学.本综述从电子学角度首先介绍斯格明子的基础概念及发展现状、理论及实验研究方法,重点阐述斯格明子器件的写入、调控及读取功能,介绍了一系列具有代表性的新型信息器件;最后,结合斯格明子电子学现状分析了目前所面临的发展瓶颈以及未来的应用前景.     

磁斯格明子的微磁学研究进展和应用

磁斯格明子作为一种具有拓扑保护性质的准粒子受到了磁学与磁性材料领域科学家的广泛关注.本文对磁斯格明子的拓扑性质进行了概述,回顾了磁斯格明子的存在条件以及运输特性,综述了近年来利用微磁学模拟研究的磁斯格明子激发、操控、微波磁场响应以及基于磁斯格明子的器件设计,主要包括赛道存储器、自旋纳米振荡器、晶体管和逻辑门.通过本文的综述,希望为磁斯格明子在未来信息领域的应用提供参考.     

非线性相互作用的自旋-轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的淬火动力学

研究了在二维自旋-轨道耦合的相互作用超冷玻色气体中存在一维光晶格时,超流条纹相到超固相的非平衡动力学.通过研究这一动力学过程中的缺陷(位相空间中的涡旋)及波函数的变化行为,利用涡旋数及波函数的交叠等描述方法,确定了考虑光晶格深度随时间线性变化的量子淬火动力学过程的转变时间.发现在转变时间之前,体系对于淬火过程没有响应.当演化时间超过转变时间后,系统开始迅速响应,涡旋数及体系的波函数开始迅速变化.当演化时间足够长时,系统将达到稳态.另外还发现,在上述动力学过程中,由于体系中自旋-轨道耦合的存在,系统在空间中的密度分布与自旋在空间中的结构始终相伴生,即具有拓扑结构的磁斯格明子(反斯格明子)的中心位置始终与体系密度分布的极小值位置相对应.