纳米尺度非线性拓扑磁性新物态及外场调控研究进展 | 进展

纳米尺度非线性拓扑磁性物态如磁性斯格明子（Skyrmion）、反斯格明子（Antiskyrmion）、磁性涡旋（Vortex）、反涡旋（Antivortex）以及磁泡（Bubble）等，特别是斯格明子(Skyrmion)态，由于其拓扑保护稳定性、纳米小尺寸、磁场、温度和电场等多通道调控等特性而引起学术界的广泛关注，有望作为下一代高密度磁存储器件的信息单元载体。这些拓扑磁性物态的产生和调控与许多物理现象密切关联，例如：Aharonov-Bohm效应、Berry相效应、 拓扑霍尔效应、自旋转移力矩效应、自旋-轨道耦合效应等。所以，从微观角度深入研究拓扑物态与磁性、电磁性能的关系，不但可以深入理解磁性物态对材料物理性能的贡献，还可以通过调控材料的物态促进其应用。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）磁学国家重点实验室M07研究组张颖副研究员多年致力于透射电子显微镜研究微观结构与新奇物性的关联。近期利用洛伦兹透射电子显微镜研究磁畴结构高空间分辨率的优势，分别在偶极相互作用的块体材料和界面DMI相互作用的多层膜两大体系中，系统研究了磁性斯格明子（Skyrmion）的生成及调控，并对非晶材料磁涡旋结构(Vortex) 进行了外场调控，取得了系列成果。

张颖与M05组王文洪研究员等人合作，首次在具有中心对称六角合金MnNiGa中，利用Lorentz透射电镜直接观察到宽温区双涡旋磁性斯格明子（biskyrmion），并对磁结构进行了解析。在此前期工作基础上（Advanced Materials 28, 6887 (2016)），针对该体系中双斯格明子密度不高，且撤掉磁场双斯格明子即会湮灭的不足。近期张颖和博士生彭丽聪等，在上述六角MnNiGa合金中分别利用洛伦兹透射电镜的样品杆施加电流、改变温度等原位调控，实现了宽温区、零场稳定的高密度双斯格明子，并与所内外同事合作，对实验现象给出了合理的解释。该工作克服了斯格明子的强磁场、低温窄温区的保存条件以及低密度的不足，使其有望在非易失性磁存储器件得到应用，相关结果分别发表在npj Quantum Mater. 2, 30 (2017) 和Nano Lett.17,7075-7079 (2017)上。

在界面对称性破缺的多层膜体系中，磁性斯格明子可以在室温附近稳定存在，并能实现低电流驱动，其参数易调、与器件的良好兼容性以及电流调控行为的优势使其更有利于实际应用。目前主要集中在具有垂直磁各向异性的多层膜材料体系中，但在这种垂直磁各向异性多层膜中，外加磁场生成的磁性斯格明子密度一般较低且需要外场维持。M07组利用磁控溅射生长了系列Pt/Co/Ta多层膜体系，张颖和博士生何敏等分析了斯格明子的生成规律，得到了尺寸50纳米以下的斯格明子，并通过洛伦兹透射电镜施加原位电流调控实现了斯格明子密度可控，在最佳条件下得到了高密度的零场下稳定存在的斯格明子。相关工作申请了中国发明专利2016110947219和2017106736050， 部分研究结果作为封面插图发表在Appl. Phys. Lett. 111, 202403 (2017)。

张颖和博士生左淑兰等在含有高丰度稀土Ce元素的CeFeB非晶合金中首次发现了Vortex磁畴结构，对非线性磁涡旋vortex-antivortex的磁畴结构的生成以及在外加磁场，电场，温度场的作用下的演变做了系统研究。Vortex结构作为一种拓扑磁畴结构在信息存储领域有潜在的应用，之前在非晶坡镆合金中研究较多。在CeFeB合金中vortex的生成以及调控研究拓展了高丰度稀土元素的新应用，相关结果发表在Acta Materialia 140, 465e471 (2017)。

图1在六角合金MnNiGa中，通过所示热调控方法，利用洛伦兹透射电子显微镜，实空间观察到了高密度、非易失、零场的、宽温域双斯格明子晶格，与相对应温度条件下，纯磁场产生的随机分布的双斯格明子形成对比，且调控得到的斯格明子去掉磁场后仍能稳定存在。

图2在六角合金MnNiGa中，利用洛伦兹透射电子显微镜，不同磁场下的热调控方法，对斯格明子的生成和密度分布有很大影响。进一步分析磁场对调控的影响，电子自旋共振吸收谱的结果表明在居里温度TC以上存在短程有序的铁磁团簇，通过能量势垒随温度变化定量计算，发现当温度降低于居里温度时能量势垒显著升高，从而认为Tc以上时，可磁场调控铁磁团簇使之有利于斯格明子形核，降温过程中能量势垒的升高以及拓扑保护使得生成的斯格明子能零场稳定，详见文章描述。

图3在Pt/Co/Ta多层膜中，利用洛伦兹透射电镜在最佳的电磁调控条件下，得到零场下稳定存在的、高密度、尺寸小于50nm的斯格明子。

图4 在非晶CeFeB材料中，利用洛伦兹透射电镜研究了磁涡旋和反涡旋在外加电场、磁场、温度场的演变。

该系列工作是与所内和国外很多老师合作及大力支持下完成的，同时得到国家重点基础研究发展计划（2015CB921401）、国家重点研究与发展项目（No. 2016YFB0700902, 2016YFA0300300）、国家自然科学基金委（11374349, 51590880, 51431009, 51371192, 51561145003, 51471183）、中国科学院青年创新促进协会项目（2015004）等基金的资助。

相关工作链接：
[1] Real-Space Observation of Nonvolatile Zero-Field Biskyrmion Lattice Generation in MnNiGa Magnet. Nano Lett.17,7075-7079 (2017). http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b03792
[2] Generation of high-density biskyrmions by electric current. npj Quantum Mater. 2, 30 (2017).
https://www.nature.com/articles/s41535-017-0034-7
[3] Realization of zero-field skyrmions with high-density via electromagnetic manipulation in Pt/Co/Ta multilayers. Appl. Phys. Lett. 111, 202403 (2017). https://doi.org/10.1063/1.5001322
[4] In situ observation of magnetic vortex manipulation by external fields in amorphous CeFeB ribbon. Acta Materialia 140, 465e471 (2017). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.07.054
[5] A centrosymmetric hexagonal magnet with superstable biskyrmion magnetic nanodomains in a wide temperature range of 100–340 K. Adv. Mater. 6887–6893 (2016). http://dx.doi.org/10.1002/adma.201600889 

图1. 通过lorentz透射电镜，最佳热调控条件下，在MnNiGa中得到高密度、非易失、零场稳定存在的室温双斯格明子晶格

图2. 通过lorentz透射电镜不同磁场下热调控过程，得到不同密度及分布的室温双斯格明子

图3. 通过Lorentz透射电镜电磁调控，在垂直Pt/Co/Ta多层薄膜中得到高密度、零场稳定的斯格明子

图4. 通过Lorentz透射电镜温度、电流、磁场等外场调控，研究非晶CeFeB中vortex-antivortex演变。

编辑：yangfz

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