磁性斯格明子(Magnetic Skyrmion)是一种具有手性自旋的纳米磁畴结构单元。由于它具有拓扑保护性、低驱动电流密度(比驱动传统畴壁低5~6个数量级),以及磁场、温度和电场等多物理作用调控的特性,磁性斯格明子被认为是未来高密度、高速度、低能耗信息存储器件的核心材料。然而,目前大部分磁性斯格明子材料体系居里温度偏低和稳定存在温区窄,成为材料实际应用的瓶颈。开发宽温区跨室温磁性斯格明子新材料是目前磁电子学领域的研究热点,也是推进磁性斯格明子实用化的关键。
最近,该课题组王文洪研究员、刘恩克副研究员及博士后侯志鹏、研究生丁贝等,在上述六角合金MnNiGa磁性斯格明子研究工作基础上,在宽温区磁性斯格明子新材料探索方面再次取得重要进展。他们在Kagome晶格阻挫磁性金属间化合物Fe3Sn2中,首次获得目前具有最高居里温度(~640K)及最宽温度区域(120K~640K)稳定存在的多拓扑态磁性斯格明子。 如图 1(a) 所示,Fe3Sn2是由双层Fe-Sn原子层和Sn原子层交替组成,其中Fe原子构成双层Kagome三角格子并具有自旋阻挫。他们精心设计实验,通过助溶剂法生长出高质量的Fe3Sn2单晶,细致的磁测量证实了该材料在居里温度640K到120K宽温域范围内存在着磁结构的不稳定性。如图1(b)所示,在居里温度以下,自旋即有序化为带有倾角的阻挫结构,其矢量和方向指向c轴。然后随着温度的降低,自旋的集体取向逐渐转到ab面内。随后通过微磁模拟,如图1(c)和(d)所示,他们发现在Fe3Sn2的Ku和Ms变化范围内可以获得拓扑平庸磁泡和拓扑非平庸磁泡(磁斯格明子)结构纳米磁畴共存的状态,并且发现受拓扑保护的斯格明子具有更高的临界磁场(稳定性)。进一步,他们通过洛伦兹电镜观察到Fe3Sn2单晶样品随着垂直于ab面磁场的增加,基态条状磁畴逐渐转变成拓扑平庸磁泡和拓扑非平庸磁泡(斯格明子)纳米磁畴的过程(图2)。随着磁场的增加,那些拓扑平庸磁泡逐渐消失,受拓扑保护的磁性斯格明子具有更高临界磁场,这和微磁模拟的结果高度一致。这种多种拓扑态自旋结构是以前报导的磁性斯格明子材料所没有的特性。更为重要的是,如图3变温洛伦兹电镜观察所示,如果在室温下将样品先磁化到未饱和状态(比如图2的b状态),在磁场退回到零场后会出现基态条状磁畴和磁性斯格明子畴共存的现象(“零场稳定的磁性斯格明子”),并在此后的降温过程中斯格明子密度逐渐增加。对“零场磁性斯格明子”的自旋结构分析表明,它具有与图2的四种类型不同的结构,呈现出“同芯多环”的拓扑形式。
图1. (a) Fe3Sn2晶体结构和自旋阻挫磁结构;(b) 实验测量得到磁各向异性常数Ku随温度变化规律;微磁模拟发现:(c) 通过调节磁晶各向异性Ku和饱和磁交换常数A的数值,获得拓扑平庸磁泡和非平庸磁泡(斯格明子)结构纳米磁畴共存的状态;(d)随外加磁场的增大,那些拓扑平庸磁泡会首先消失,而受拓扑保护的磁性斯格明子具有更高的临界磁场。 图2. Fe3Sn2单晶样品室温下的洛伦兹电镜照片:(a-d)随着垂直磁场的增加拓扑平庸磁泡(1和2)和拓扑非平庸磁泡(斯格明子3和4)磁畴的逐渐产生(数字表示不同的拓扑态类型)。随着外磁场的增大,拓扑平庸磁泡会逐渐消失,而受拓扑保护的磁性斯格明子具有更高的临界磁场,这和微磁模拟结果一致。(e-h)室温拓扑平庸磁泡(1和2)和磁性斯格明子(3和4)自旋结构。 图3. Fe3Sn2单晶样品变温的洛伦兹电镜照片:将样品进行未饱和磁化(~600mT)再回到零磁场下,观察到条状磁畴和斯格明子纳米磁畴共存,并在降温中增加密度(a-d);对应彩图显示为给定温度下零场斯格明子的“同芯多环”自旋结构(e-f)。 图4. 实时观测到拓扑同胚自旋结构斯格明子“3”和“4”之间的相互转化过程。 |
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