实空间新型拓扑磁激发在磁性二维材料以及人工反铁磁薄膜中的发现与调控

来源：中科院物理所

兼具温度、电流、磁场等多物理场协同调控的高分辨洛伦兹透射电镜在实空间探索纳米尺度新型磁畴结构，原位揭示与磁相关的新奇物理现象微观机制以及自旋原理性器件应用方面发挥着越来越重要的作用。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M07组张颖研究团队在沈保根院士、磁学实验室以及物理所的大力支持下搭建了集微纳加工、高分辨磁畴多物理场调控、小尺度电输运测量于一体的高分辨率磁畴动力学研究平台，自主发展了原位调控拓扑磁畴的新方法。近几年运用该方法从微观角度重点研究了纳米尺度磁性斯格明子生成与调控，研究材料包括DMI非中心对称FeGe单晶（Nano Lett. 18 (2018) 7777）、中心对称磁性块体（Adv. Mater. 28 (2016) 6887，Nano Lett. 17 (2017) 7075，Phys. Rev. Mater. 2 (2018)104408，Nanoscale, 11（2019）4999）以及磁性薄膜（Phys. Rev. B 97 (2018) 174419）等多种材料体系，并拓展到磁涡旋（Acta Mater. 140 (2017) 465）、磁泡（Nanoscale 10 (2018) 2260）等多种非线性磁畴结构，揭示了非线性拓扑磁畴结构的形成规律和物理机制，实现了零磁场下、宽温区内可作为非易失磁性存储单元的高密度拓扑磁畴结构，促进了新型拓扑自旋电子器件的应用以及新物态、新功能、新材料的发现。铁磁材料的条状磁畴一般被认为是斯格明子产生的基态，斯格明子在电流驱动下的行为是其应用的关键，然而实验与理论模拟均表明铁磁材料中的斯格明子在电流作用下的拓扑霍尔效应会使斯格明子的运动轨迹偏离，限制了其在自旋电子器件的应用。反铁磁材料由于磁矩相反使得拓扑霍尔效应抵消，有望保证拓扑磁畴结构沿直线运动，因此研究反铁磁材料中拓扑磁畴结构的生成与调控，探索新型拓扑磁畴结构、新型拓扑磁性材料是当前拓扑磁畴结构在自旋电子学应用的重要研究方向。张颖研究团队利用上述磁畴研究平台和原位拓扑磁畴电流调控方法，近期分别与清华大学宋成教授团队（[Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]多层膜，图1）和北京科技大学王守国教授团队（[Co/Pt]n/NiO/[Co/Pt]n多层膜，图2）合作，首次在人工反铁磁薄膜中实现了高密度、零场斯格明子。不同于铁磁材料中条状磁畴基态，研究发现人工反铁磁薄膜因磁矩相互抵消呈现的无磁畴基态也可以调控出零场、高密度斯格明子，而且电流、磁场协同调控所需磁场远小于铁磁材料。由无磁畴基态到高密度斯格明子两种磁状态的可控调控，为自旋电子学信息存储和逻辑运算提供了更多可能。上述工作分别发表在Nano Lett. 20, 3299 (2020)和 Adv. Mater. 32, 1907452 (2020)。图1. 人工反铁磁多层膜 [Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]/Ru/[Co/Pd] 中，洛伦兹透射电镜电流、磁场协同调控生成零场、高密度斯格明子。图2. 人工反铁磁多层膜[Co/Pt]n/NiO/[Co/Pt]n中，洛伦兹透射电镜电流、磁场协同调控生成零场、高密度斯格明子。在新型拓扑磁畴结构、新型拓扑磁性材料的探索方面，张颖研究员带领联合培养硕士生高阳，与中国人民大学物理系雷和畅教授团队和北京科技大学王守国教授合作，首次在二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中观察到了一种新型拓扑磁激发态--畴壁麦纫链（图3），由180°磁畴壁演变形成。宏观物性测量进一步揭示了该拓扑激发态是由温度降低磁各向异性c方向到ab面转变时的自旋重取向诱发（图4），同时受到磁畴壁的限制以及c方向弱范德华力共同作用而形成，其根源是Fe(1)原子有序度的变化。畴壁上麦纫态的实空间解析、拓扑霍尔电阻峰值的变化及其在外加磁场和电压作用下的整体运动行为（图5），不仅实验证实了新型畴壁拓扑态的存在，还为进一步探索新型拓扑磁畴结构及其应用提供了一个全新的平台。相关研究内容发表在《Advanced Materials》杂志上。图3. 二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中，温度降低时原位实空间观察新型拓扑磁激发态--畴壁麦纫链由180°磁畴壁演变过程。图4. 二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中，新型拓扑磁激发态--畴壁麦纫链产生机制与根源。（a-c）温度降低时磁各向异性转变发生自旋重取向，（d-e）温度降低Fe(1)位原子有序引起结构有序度的变化，是影响宏观物性的根源。图5. 二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中，新型拓扑磁激发态--畴壁麦纫链在外加电压（a-c）和磁场（d-g）下的动力学行为。相关研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）、中国科学院海西创新研究院以及中科院青促会的支持。