磁斯格明子是一种具有实空间拓扑特性的磁结构。它具有诸如斯格明子霍尔效应、旋性布朗运动等新奇物性，为自旋电子学的研究提供了一个新平台。另一方面，由于其具有纳米尺寸、高稳定性和易被操控等特性，磁斯格明子也有望成为高密度、低能耗、非易失性存储的新兴信息载体。在传统重金属/超薄铁磁薄膜材料中，重金属的强自旋轨道耦合，结合界面对称破缺，会产生手性磁相互作用，进而获得室温、纳米尺度的奈尔型铁磁斯格明子，此类薄膜材料体系由此得到极大关注。然而，铁磁性材料中的磁斯格明子具有斯格明子霍尔效应，在运动过程中会与器件边界发生相互作用，以致湮灭。因此不利于发展斯格明子赛道存储器件。

图一. 多层膜中的手性磁相互作用和奈尔型亚铁磁斯格明子。

近日，清华大学物理系江万军课题组和材料学院陈震课题组合作研究发现，通过连续改变亚铁磁薄膜的化学组分，可以高效调控亚铁磁斯格明子尺寸以及密度。相关研究工作发表在ACS Nano。该研究以[Pt/Fe_1-xTb_x/Ta]_n磁性多层膜为研究对象，利用重金属Pt和Ta的强自旋轨道耦合以及界面对称破缺，得到了室温50纳米尺度的奈尔型亚铁磁斯格明子。与铁磁斯格明子材料相比，亚铁磁斯格明子材料具有更小净磁矩，可以抑制斯格明子霍尔效应的影响。另一方面，通过改变过渡金属-稀土亚铁磁Fe_1-xTb_x的化学组分，可以对磁性材料的矫顽力，磁化强度和磁各向异性常数等参数进行连续调控，由此实现亚铁磁斯格明子尺寸和密度的高效调控。

图二. 组分调制磁性多层膜材料的磁性参数。

当稀土元素Tb成分从x = 0.34变化到x = 0.48时，饱和磁化强度从140 emu/cc增大到200 emu/cc，同时其磁各向异性常数从80 kJ/m³减小到35 kJ/m³。借助高空间分辨率的磁透射X射线显微镜和洛伦兹透射电子显微镜，团队研究了磁结构随着外磁场的演化，并在室温下观察到奈尔型亚铁磁斯格明子。团队进一步发现，在连续改变亚铁磁薄膜的化学组分x时，亚铁磁斯格明子的尺寸和密度可以被高效调控。当稀土元素Tb成分为x = 0.48时，亚铁磁斯格明子的最小尺寸可以达到 ~ 45 nm，其密度可以高达 ~ 50 μm^-2，明显优于传统的铁磁斯格明子材料体系。

图三. 组分调制亚铁磁斯格明子尺寸和密度。

基于[Pt/Fe_1-xTb_x/Ta]_n多层膜，研究团队通过调节Fe_1-xTb_x亚铁磁薄膜的组分，连续调控了材料的磁性参数。进一步借助磁透射X射线显微镜和洛伦兹透射电子显微镜，确定了奈尔型亚铁磁斯格明子的存在，并研究了其尺寸和密度的调控规律。实验结果显示，随着亚铁磁材料稀土元素成分增加，亚铁磁斯格明子尺寸不断减小，密度逐渐增大。该项研究为设计高性能亚铁磁斯格明子及其器件提供了新思路。

相关论文发表在ACS Nano上，清华大学物理系博士后许腾、清华大学材料学院博士研究生张宇轩为文章的共同第一作者， 江万军副教授、陈震副研究员为通讯作者。

扫描二维码阅读英文原文，或点此查看原文

ACS Nano 2023, 17, 8, 7920–7928

Publication Date: April 3, 2023

https://doi.org/10.1021/acsnano.3c02006 

Copyright © 2023 American Chemical Society