首爾大學Tae Won Noh和中科大陸輕鈾Nat. Mater. ：超薄氧化物異質結構中的鐵電體可調磁性斯格明子

【引言】

磁性斯格明子是納米尺度的旋轉自旋結構，具有非平凡的真實空間拓撲結構。由于各種奇特的特征，包括缺陷和無序的拓撲保護；緊湊和自組織的晶格形式；允許激發、湮滅和控制運動的孤子性質，這種手性自旋構型得到了廣泛的研究。這些引人注目的特性不僅為研究非平凡的拓撲物理提供了新的機會，而且為未來的自旋電子學應用提供了巨大的潛力。為了實現集成性高、性能優越的基于斯格明子的自旋電子器件，必須對斯格明子的尺寸、密度、穩定性等性能進行有效控制。

【成果簡介】

近日，在韓國基礎科學研究所(IBS)、首爾國立大學Tae Won Noh教授團隊和中國科學技術大學陸輕鈾教授團隊帶領下，與中國科學院強磁場科學中心、新加坡國立大學和韓國成均館大學合作，報告了在超薄BaTiO₃/SrRuO_3?(BTO/SRO)雙層異質結構中發現鐵電體（FE）驅動的、高度可調諧的磁性斯格明子。在BTO中，FE驅動的離子位移可以穿過異質界面，并繼續為多個單元單元進入SRO。這種所謂的FE鄰近效應已經在不同的FE/金屬氧化物異質界面中得到了預測和證實。在BTO/SRO異質結構中，這種效應可以誘導相當大的DMI，從而穩定強大的磁性物質。此外，通過利用BTO覆蓋層的FE極化，可以實現對斯格明子性質的局部、可逆和非易失性控制。這種鐵電可調的斯格明子系統為設計具有高集成性和可尋址性的基于斯格明子的功能設備提供了一個潛在的方向。相關成果以題為“Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures”發表在了Nat. Mater.上。

【圖文導讀】

圖1?鐵電體鄰近效應和BTO/SRO界面的DMI

a，BTO/SRO界面鐵電體（FE）鄰近效應的示意圖。BTO中的FE驅動的離子位移可以滲透到SRO中，達到幾個單位晶胞（u.c.）的深度。氧和Ti（Ru）之間的離子位移沿著[001]軸表示為δ_Ti-O(δ_Ru-O)。

b，SRO中的DMI具有非零δ_Ru-O。DMI向量D₁₂垂直于由兩個Ru陽離子和一個O原子配體組成的假想三角形。

c,d，DMI常數(D) (c)和交換剛度(J) (d)的密度泛函理論（DFT）計算。

圖2?BTO/SRO/SrTiO₃（001）異質結構的拓撲霍爾效應

a,b，從具有各種SRO層厚度（t_SRO）（a）和BTO層厚度（t_BTO）（b）的BTO/SRO樣品獲得的10K的隨磁場變化的霍爾電阻率（ρ_xy-H）曲線。BTO(20 u.c.)/SRO(4 u.c.)樣品表示為B20S4，相同的表示法適用于其他BTO/SRO樣品。紅色和藍色代表H掃描方向。所有曲線中減去OHE的線性貢獻。插圖是示意性樣本結構。

c，ρ_xy，ρ_AHE和ρ_THE相對于H的B20S4樣品。ρ_AHE-H曲線來自歸一化的M-H曲線。 M的單位是每Ru原子的玻爾磁子（μ_B/Ru）。H掃描方向用實線箭頭標出。

d,e，相對于t_SRO和t_BTO的斯格明子密度（n_sk）計算。誤差條為不確定性載流子自旋極化P_S=-10±5％。

圖3?B20S5樣品中磁性斯格明子的磁力顯微鏡表征

a-e，在5K時在不同的場強下從B20S5樣品測量的MFM圖像，H掃描從5到-5T。MFM 對比度代表MFM尖端共振頻率偏移（Δf）。負（正）Δf表示磁化與外部H平行（反平行）。

f,g，通過b，c和d中的圖像逐像素減法獲得的MFM圖像（以紅色框起）。突發出現的斯格明子數量（Δn）和H的間隔（ΔH）被貼上標簽。代表性的1型和2型MFM對比分別用實心條和虛線環標記。掃描區域為4×4μm。所有比例尺對應于1μm。

h，等效直徑的統計直方圖（D_E），根據所有減去的MFM圖像中半最大值的域狀對比度的面積計算。實驗直方圖可以通過兩個高斯分布很好地擬合。在約90nm處達到峰值的窄峰對應于類型1對比（個體斯格明子）。在~160nm處達到峰值的較寬的一個對應于2型對比（磁泡域或斯格明子簇）。

i，幾個代表性的1型MFM對比的橫截面線輪廓。全寬半高（FWHM）為~90nm。

j，在5K下測量的M-H（綠色）和ρ_xy-H（紅色）曲線。用于拍攝MFM圖像的H值由閉合的菱形和空心圓圈標記。

k，在變化n_sk（Δn_sk衍生自）ρ_THE（實心圓，紅色）和MFM圖像（實心方塊，綠色）。誤差棒代表Δ的上限和下限n_sk通過將所有2型MFM對比分別作為skyrmion簇和單個磁泡域處理來計算。

n_sk（Δn_sk）的變化來自ρ_THE（實心圓，紅色）和MFM圖像（實心方塊，綠色）。 誤差條代表Δn_sk的上限和下限，其通過將所有2型MFM對比分別作為斯格明子簇和單個磁泡域處理而計算。

?圖4?對斯格明子性質的FE控制

a，FE域交換和霍爾測量的實驗裝置示意圖。

b-e，不同FE極化狀態下B20S4樣品的壓電響應力顯微鏡（PFM）相圖（上圖），ρ_xy-H和ρ_THE-H曲線（下圖）。b中的比例尺對應于10μm。將ρ_THE降至零的臨界H標記為H_sk。

f，ρ_THE的輪廓圖和在完全向上和向下極化配置中測量的斯格明子相圖。為清楚起見，在任一圖中僅顯示一個THE分支。H_sk-T曲線代表斯格明子和鐵磁相之間的相界。在底部面板中，向上極化情況下的H_sk-T曲線也作為虛線插入以進行比較。顯然，對于向下極化的情況，相界向較低的H和T收縮。

g，最大ρ_THE和相應的歸一化n_sk作為向下極化域區域的函數。如虛線（紅色）所強調的那樣，ρ_THE的變化遵循幾乎線性的趨勢。

圖5?在BTO/SRO界面附近掃描透射電子顯微鏡表征

B20S4樣品的原子分辨的HAADF-STEM圖像的離子位移（δ_A-B）曲線。在每個鈣鈦礦晶胞中，δ_A-B由沿B軸位陽離子和四個A位陽離子的中心位置之間的[001]軸的位移計算。δ_A-B值在每個鈣鈦礦單層上取平均值，誤差棒表示標準偏差。正（負）δ_A-B對應于向上（向下）偏振組態，其以實心方塊（空心圓圈）繪制。插圖中顯示了兩種偏振組態中離子位移模式和單位晶胞結構的示意圖。

【小結】

團隊利用超薄BTO/SRO異質結構作為平臺，承載著小型的、高度可調的磁性斯格明子。在這個系統中，靠近BTO/SRO界面的FE鄰近效應產生緊急DMI，從而產生了強大的磁性斯格明子。通過利用BTO覆蓋層的FE極化，實現了對磁性斯格明子密度和穩定性的局部、可切換和非易失性控制。在設計和制造基于斯格明子設備時，BTO/SRO異質結構中的鐵電體可調磁性斯格明子允許顯著的多功能性。FE薄膜域交換可可以在從微米到納米的不同長度尺度上實現。通過縮小FE域大小，不僅可以在顯微鏡下調整整個斯格明子性質，還可以實現單個斯格明子的成核/刪除。

文獻鏈接：Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures（Nat. Mater.?, 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0204-4）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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