薄膜异质结及二维材料中的磁斯格明子

磁斯格明子因具有拓扑稳定、移动速度快、尺寸小、驱动电流密度低等优异性质引起了人们的广泛关注。它被视作未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的理想信息载体。基于磁斯格明子的自旋电子学器件具有非易失、高读写速度、高存储密度以及低功耗的优势,从而能满足人们对高性能器件的要求。此外,拓扑性与磁性的结合使得磁斯格明子成为研究拓扑磁性物理的良好平台。文章简要介绍了磁斯格明子的发展概况及其拓扑物理性质,并着重讨论薄膜异质结及二维材料中磁斯格明子的研究进展,为今后进一步探索磁斯格明子相关研究领域抛砖引玉。     

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.     

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.     

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.     

磁性多层膜中斯格明子的前景与挑战

拓扑磁学是近年内磁学领域内衍生出的一个子学科,它以寻找、研究和利用磁性材料中的拓扑自旋结构为核心目标,相关研究在凝聚态物理领域内已成为一个较大的分支。这些拓扑自旋结构包括：磁涡旋(magnetic vortex)、磁性斯格明子(magnetic skyrmion)、磁浮子(magnetic bobber)等。文章将以磁性多层膜中的斯格明子为对象,从材料优化、拓扑物理、表征、操控、探测等角度出发,详细讨论当前的主要研究热点,以及未来功能器件应用方面的一些挑战。     

磁性斯格明子:拓扑磁性的展现

磁性斯格明子是一种具有准粒子特性并且受拓扑保护的自旋结构。目前,磁性斯格明子已经在许多空间对称性破缺的磁性体系中被观测到。磁性斯格明子的拓扑性质可以通过拓扑霍尔效应、拓扑自旋动力学性质、拓扑湮灭等现象得到揭示。磁性斯格明子和电流之间极为有效的相互作用,使得磁性斯格明子非常有希望在自旋电子学相关领域得到应用。     

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...     

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.     

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.     

The relation between the radii and the densities of magnetic skyrmions

Compared with the traditional magnetic bubble, a skyrmion has a smaller size, and better stability and therefore is considered as a very promising candidate for future memory devices. When skyrmions are manipulated, erased and created, the density of skyrmions can be varied, however the relationship between the radii and the densities of skyrmions needs more exploration. In this paper, we study this problem both theoretically and by using the lattice simulation. The average radius of skyrmions as a function of material parameters, the strength of the external magnetic field and the density of skyrmions is obtained and verified. With this explicit function, the skyrmion radius can be easily predicted, which is helpful for the future study of skyrmion memory devices.     

Rational maps, monopoles and skyrmions

We discuss the similarities between BPS monopoles and skyrmions, and point to an underlying connection in terms of rational maps between Riemann spheres. This involves the introduction of a new ansatz for Skyrme fields. We use this to construct good approximations to several known skyrmions, including all the minimal energy configurations up to baryon number nine, and some new solutions such as a baryon number seventeen Skyrme field with the truncated icosahedron structure of a buckyball.

The new approach is also used to understand the low-lying vibrational modes of skyrmions, which are required for quantization. Along the way we discover an interesting Morse function on the space of rational maps which may be of use in understanding the Sen forms on the monopole moduli spaces.     

Quantum Hall skyrmions with higher topological charge

We have investigated quantum Hall skyrmions with more than one unit of topological, and hence electric, charge. Using a combination of analytic and numerical methods we find the counterintuitive result that when the Zeeman energy is tuned to values much smaller than the interaction energy ( ), the creation energy of a charge two skyrmion becomes less than twice the creation energy of a charge one skyrmion, i.e. skyrmions bind in pairs. The doubly charged skyrmions are stable to further accretion of charge and exhibit a larger spin per unit charge than charge one skyrmions which would, in principle, signal this pairing. 1997 Elsevier Science B.V. All rights reserved.     

Shape and phase transitions in quantum-Hall skyrmions

The shape deformability of quantum-Hall skyrmions leads to a rich phase diagram in the –g space. We study the long-wavelength physics of a collection of interacting skyrmions using a nonlinear sigma model. At zero temperature the ground state is crystalline with generalized Nèel order. As a function of the filling factor , the skyrmion crystal undergoes a sequence of structural transitions driven by a change of shape of the individual skyrmions. Quantum effects lead to melting and orientational disordering transitions at high and low skyrmion densities, respectively. We show that moment of inertia of skyrmions also arises from the shape deformability of the skyrmions.     

Brownian motion of massive skyrmions in magnetic thin films

We report on the thermal effects on the motion of current-driven massive magnetic skyrmions. The reduced equation for the motion of skyrmion has the form of a stochastic generalized Thiele’s equation. We propose an ansatz for the magnetization texture of a non-rigid single skyrmion that depends linearly with the velocity. By using this ansatz it is found that the skyrmion mass tensor is closely related to intrinsic skyrmion parameters, such as Gilbert damping, skyrmion-charge and dissipative force. We have found an exact expression for the average drift velocity as well as the mean-square velocity of the skyrmion. The longitudinal and transverse mobility of skyrmions for small spin-velocity of electrons is also determined and found to be independent of the skyrmion mass.     

Skyrmion size evolution with interlayer exchange coupled ferromagnetic nanostructures

Skyrmions are viewed as the basic elements for the future generation of magnetic memories. Their small sizes and good dynamical properties give them the ability to store and transport information easily. In this paper, we used micromagnetic simulation to study the contribution of interlayer exchange coupling and the geometrical confinement on scaling magnetic skyrmions. We started the work by comparing the utility of interlayer exchange coupling to the perpendicular magnetic field in scaling magnetic skyrmions. Then, we investigated the effect of combining the interlayer exchange coupling and geometrical confinement to reduce skyrmions size.     

Topological charge analysis of dynamic process of transition to Néel-type skyrmion: Role of domain wall skyrmions

Magnetic skyrmions are intriguing topological spin textures that promise future high-density spintronic devices. The creation of magnetic skyrmions has been understood based on the energetics of skyrmions, but the detailed dynamic process of the skyrmion creation remains unclear. Here topological evolution in conversion from uneven domains to Néel-skyrmions is investigated using micromagnetic simulations. We find that, rather than the overall topological charge, annihilation of novel topological defects, i.e., recently suggested domain wall skyrmions, dominantly govern the skyrmion creation process. Also, the topological charge evolution is interpreted in terms of the number and the combination of such topological defects.     

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.