近期,南京師范大學(xué)馬付勝教授與中科院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心陸輕鈾研究員、馮啟元博士合作,利用自制的磁力顯微鏡系統(tǒng)(MFM), 在人工合成反鐵磁多層膜中發(fā)現(xiàn)了一種可在幾開(kāi)爾文到300開(kāi)爾文(K)寬溫區(qū)穩(wěn)定存在,能規(guī)則排列且尺寸連續(xù)可調(diào)的新型人工磁斯格明子(Magnetic Skyrmion)結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上【Adv. Funct. Mater. (2019), 1907140】。
磁斯格明子,一種非易失的拓?fù)浔Wo(hù)自旋結(jié)構(gòu),具有拓?fù)浔Wo(hù)穩(wěn)定性、尺寸小、以及低電流驅(qū)動(dòng)等優(yōu)良特性,被認(rèn)為是未來(lái)高密度、高速度、低能耗存儲(chǔ)器件的信息載體,受到廣泛關(guān)注。然其實(shí)用化道路依然充滿挑戰(zhàn)。例如,現(xiàn)可供挑選的磁斯格明子材料體系依然太少,其中,能使其在室溫存在的體系更是屈指可數(shù)。此外,現(xiàn)研究多集中在磁斯格明子的自發(fā)形成是雜亂無(wú)序的鐵磁多層膜或單晶體系中。到目前為止,一個(gè)能使磁斯格明子規(guī)則排列、室溫穩(wěn)定存在且尺寸可控的研究平臺(tái)尚有待開(kāi)發(fā)。這既是磁斯格明子的研究熱點(diǎn)也是其實(shí)用化的關(guān)鍵所在。
南京師范大學(xué)馬付勝教授課題組利用人工合成反鐵磁多層膜中的反鐵磁層間耦合相互作用原理,通過(guò)微納加工,構(gòu)造出一組不同尺寸,規(guī)則排列的人工合成反鐵磁圓盤(pán)結(jié)構(gòu)。馬教授等人通過(guò)光學(xué)、磁電阻等測(cè)量方法,觀測(cè)到預(yù)示磁斯格明子連續(xù)過(guò)渡變化的信號(hào)曲線。
此時(shí),實(shí)現(xiàn)微觀層次上磁斯格明子的直接觀測(cè)顯得尤為重要。但該工作是困難的,因?yàn)椋菏紫?,該光刻樣品僅幾十微米。這意味著成像儀器要在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境和4.5-300K的寬溫區(qū)范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的連續(xù)精準(zhǔn)定位,儀器要求高。其次,磁斯格明子本身磁信號(hào)微弱,尺寸小,觀測(cè)難度大。這些不利因素使微觀測(cè)量極具挑戰(zhàn)。
為此,中科院強(qiáng)磁場(chǎng)中心陸輕鈾研究員、馮啟元博士自制了一套可定位MFM,該儀器可在4.2-300K溫度范圍內(nèi)連續(xù)定位20μm器件樣品且實(shí)現(xiàn)磁結(jié)構(gòu)的成像與調(diào)控。利用該MFM,不僅成功觀測(cè)到磁斯格明子,且系統(tǒng)研究了一組樣品中磁斯格明子形成、縮小、和坍塌等完整演化過(guò)程。同時(shí),觀測(cè)發(fā)現(xiàn),該體系中的磁斯格明子能在幾 K到300K范圍內(nèi)穩(wěn)定存在,且尺寸能調(diào)節(jié)到低于100 nm。
該工作,為磁斯格明子的研究提供了直接微觀動(dòng)力學(xué)圖像,為后續(xù)新型器件實(shí)用化設(shè)計(jì)提供了新的材料體系參考。
文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907140。
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