中科院強(qiáng)磁場科學(xué)中心陸輕鈾研究員課題組在斯格明子的研究中取得了突破性進(jìn)展。該課題組人員利用自主研制的強(qiáng)磁場磁力顯微鏡(MFM),首次實(shí)現(xiàn)了氧化物薄膜中skyrmions(斯格明子)的直接觀測。相關(guān)研究作為國際合作成果,于11月5日以“Ferroelectrically?tunable?magnetic?skyrmions?in?ultrathin?oxide?heterostructures”為題發(fā)表在國際著名期刊Nature?Materials上。??
高密度、快速、低成本的數(shù)據(jù)存儲是當(dāng)今信息革命最重要的基礎(chǔ)之一。在過去的50年里,由于磁存儲設(shè)備的快速發(fā)展,硬盤驅(qū)動器(HDD)已經(jīng)成為我們?nèi)粘I钪凶畛R姷臄?shù)據(jù)存儲設(shè)備。然而,目前由于個人電子設(shè)備的快速發(fā)展和大數(shù)據(jù)分析的需要,當(dāng)前主要基于硅微電子和磁隧道結(jié)的磁存儲器件越來越無法滿足人們在存儲密度和速度上的需要了。因此,材料科學(xué)家和凝聚態(tài)物理學(xué)家總是渴望為下一代磁記憶設(shè)備尋找新的磁系統(tǒng)。
磁性skyrmion是一種有著粒子性質(zhì)的自旋保護(hù)結(jié)構(gòu)。其尺寸可以小到甚至只有幾納米,有著拓?fù)浔Wo(hù)的穩(wěn)定性,并且能被極低功率的自旋極化電流所驅(qū)動。由于這些引人注目的特性,磁性skyrmions被普遍認(rèn)為可能成為下一代磁存儲器件中的理想數(shù)據(jù)存儲單元。??
來自韓國關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)研究中心的Noh等人制備出性能突出的BaTiO3/SrRuO3?氧化物薄膜。通過霍爾測量可以預(yù)測系統(tǒng)中可能存在有skyrmions。為了驗(yàn)證這一點(diǎn),一個直接的微觀成像研究就顯得尤為重要。??
強(qiáng)磁場中心的陸輕鈾課題組利用自主研制的高靈敏MFM,直接觀測到了該系統(tǒng)中的skyrmions,?這也是首次在氧化物薄膜中觀測到skyrmions。??
該課題組首先將樣品零場冷到4.5?K。在整個MFM測量過程中,來自原子尺度的形貌干擾一直存在。同時,樣品只有5個單胞的厚度,整體磁性較弱,加之skyrmions本身尺寸小、磁性微弱。這些不利的因素綜合起來,使得成像工作非常具有挑戰(zhàn)性。最終,課題組憑借該MFM的高靈敏特性,在+5?T到-5?T的變磁場過程中,觀察到與樣品原子級形貌疊加的磁結(jié)構(gòu)信號。為了除去本底的形貌信號,課題組采用了逐像素相減的方法,將相近磁場下測得的MFM圖像兩兩相減,很干凈地消除了樣品原子級臺階信號的干擾。根據(jù)尺寸以及形狀的不同,觀測到的磁結(jié)構(gòu)可分為單個的skyrmions以及skyrmions簇或者bubbles。??
成像結(jié)果直接證實(shí)了該樣品體系中skyrmions的存在。同時,也測量出該體系中skyrmions的尺寸分布,密度變化,及其微觀動力學(xué)行為。??
這一結(jié)果不僅為人們深入理解氧化物薄膜中的skyrmions提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),而且為人們從微觀角度認(rèn)識和操控skyrmions提供了參考。??
強(qiáng)磁場中心自主研發(fā)的該高靈敏磁力顯微鏡(MFM),可在4.5K-300K和18/20T?磁場下對微觀磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控與成像,可對3um小樣品進(jìn)行精準(zhǔn)定位與測量,并能對3-5層的少數(shù)原子或單胞層磁性樣品實(shí)現(xiàn)磁結(jié)構(gòu)成像,這是國際上迄今達(dá)到的最高水平。?
