松山湖材料实验室在横向不对称的磁性多层膜中发现椭圆形磁斯格明子
磁斯格明子是一种具有准粒子特性的螺旋状手性磁结构，其物理性质是由相关的手性自旋结构和拓扑性质决定的，具有尺寸小、稳定性高、驱动电流密度低、抗环境干扰能力强等优点，有望成为新一代信息存储的优良载体。斯格明子能够存在于重金属/铁磁金属薄膜异质结构中，相关的动力学研究已经成为自旋电子学的研究热点之一。斯格明子的自旋结构作为影响斯格明子动力学的关键因素之一，为斯格明子器件的设计提供了一个新的自由度。由于斯格明子的手性自旋结构与材料的结构对称性密切相关，因此可以通过调控材料结构来有效地修饰斯格明子的自旋结构。近来，科学家在具有一定对称性破缺的单晶和外延薄膜中发现了椭圆形的斯格明子，这为斯格明子器件的设计提供了新思路。但是单晶和外延薄膜对生长条件要求较为苛刻，抑制了相关器件大规模的工业生产，且成本较高。
最近，松山湖材料实验室材料制备与表征平台博士后崔宝山、松山湖材料实验室/中科院物理所双聘研究员于国强等人，依托实验室材料制备与表征平台的大型仪器设备，与中国科学院宁波材料技术与工程研究所的杨洪新研究员课题组，以及中国科学院物理研究所、日本理化学研究所新型物质科学中心、美国加州大学洛杉矶分校、安徽大学、湖北大学、清华大学、兰州大学、中国科学院强磁场实验室等单位合作，在具有垂直磁各向异性的多晶楔型异质结中观测到了Néel型的椭圆形斯格明子。这为开发出下一代高密度、高速度、低功耗的基于斯格明子的自旋信息存储材料和元器件奠定了基础。
图1 (a)楔形样品测量原理图，其中楔形方向平行于y轴。(b)磁光克尔显微镜(MOKE)测量的不同Co厚度的磁滞回线。(c)不同Co厚度下x轴和y轴的磁畴运动速度与面外磁场的关系。(d)和(e)为施加磁场脉冲后不同Co厚度的磁畴的MOKE图像。(f)-(i)Co厚度为0.75 nm时，不同面外场下作用下磁畴的MOKE图像。(i)中插图为放大后的椭圆形斯格明子的MOKE图像。
崔宝山博士等人巧妙利用斜溅射的方法，制备了具有楔型结构的多晶Pt/Co/Ta垂直磁化异质结，首次在实验上通过磁光克尔显微镜(MOKE)观测到了Néel型的椭圆形斯格明子。研究发现，该椭圆形的斯格明子由各向异性的Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用和薄膜面内的磁各向异性诱导产生的，而上述各向异性的DM相互作用和磁各向异性是楔形样品生长过程中诱导产生的各向异性的界面应力导致的。宁波材料研究所的博士后于东星、邵子霁和杨洪新研究员通过微磁学模拟和第一性原理计算的方法从理论计算的角度充分论证了上述结果。
图2 微磁学模拟：各向异性的DM相互作用和磁各向异性作用下斯格明子的自旋结构示意图
图3 第一性原理计算：DM相互作用、界面磁各向异性与界面各向异性应力的依赖关系
该成果第一作者为崔宝山博士，通讯作者为于国强研究员和杨洪新研究员，与中国科学院物理研究所、日本理化学研究所新型物质科学中心、美国加州大学洛杉矶分校、安徽大学、湖北大学、清华大学、兰州大学、中国科学院强磁场实验室等单位合作，以“Néel-type elliptical skyrmions in a laterally asymmetric magnetic multilayer”为题，在Advanced Materials上发表(https://doi.org/10.1002/adma.202006924)。该工作得到了中国国家自然科学基金会 (NSFC, Grants Nos. 11874409, 51671098, 91963201 and 11874059), 中国博士后科学基金 (No. 2020M670499)等项目的支持。
材料制备与表征平台是依托松山湖材料实验室打造的拥有一流、顶尖、齐全材料制备与表征大型设备的全方位综合平台。根据实际需求，平台分为材料制备、材料表征两个方向，具体分为材料制备平台、电子显微镜平台、扫描探针显微镜平台、光谱测量平台、电学测量与调控平台、磁性材料与器件检测平台共6个子平台和机加工中心。平台各仪器设备都配备专职专业的技术负责人员，从科研视角提供专业、系统、开放的的样品测试表征及解析服务，努力推动基础科研和实际应用的融合发展。本次研究工作使用的是德国Evico Magnetics公司生产的磁光克尔显微镜，其极限分辨率为200-300 nm左右，可以用于研究铁磁、亚铁磁甚至部分反铁磁材料中的磁畴和磁化过程，具有方便、快捷、样品无损伤等优点，在磁成像方面有着广泛应用。