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人工斯格明子的規模合成與探測研究獲進展

2019-12-24 合肥物质科學研究院
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  近期,中國科學院合肥物质科學研究院强磁场科学中心研究员陆轻铀、博士冯启元与南京师范大学教授马付胜合作,利用自制的磁力显微镜系统(MFM),在人工合成反铁磁多层膜中发现了一种可在几开尔文到300开尔文(K)宽温区稳定存在,能规则排列且尺寸连续可调的新型人工磁斯格明子(Magnetic Skyrmion)结构。相关研究结果发表在《先进功能材料》上。

  磁斯格明子,一種非易失的拓撲保護自旋結構,具有拓撲保護穩定性、尺寸小以及低電流驅動等優良特性,被認爲是未來高密度、高速度、低能耗存儲器件的信息載體,受到廣泛關注。然而,其實用化道路依然充滿挑戰。例如,現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。此外,現研究多集中在磁斯格明子的自發形成是雜亂無序的鐵磁多層膜或單晶體系中。到目前爲止,一個能使磁斯格明子規則排列、室溫穩定存在且尺寸可控的研究平台尚有待開發。這既是磁斯格明子的研究熱點也是其實用化的關鍵所在。

  馬付勝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,通過微納加工,構造出一組不同尺寸、規則排列的人工合成反鐵磁圓盤結構。馬付勝等人通過光學、磁電阻等測量方法,觀測到預示磁斯格明子連續過渡變化的信號曲線。

  此時,實現微觀層次上磁斯格明子的直接觀測顯得尤爲重要。但該工作非常困難,首先,該光刻樣品僅幾十微米。這意味著成像儀器要在強磁場環境和4.5-300K的寬溫區範圍內能實現對樣品的連續精准定位,儀器要求高;其次,磁斯格明子本身磁信號微弱,尺寸小,觀測難度大。這些不利因素使微觀測量極具挑戰。

  爲此,陸輕鈾、馮啓元自制了一套可定位MFM,該儀器可在4.2-300K溫度範圍內連續定位20μm器件樣品且實現磁結構的成像與調控。利用該MFM,不僅成功觀測到磁斯格明子,且系統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程。同時,觀測發現,該體系中的磁斯格明子能在幾K到300K範圍內穩定存在,且尺寸能調節到低于100納米。

  該工作爲磁斯格明子的研究提供了直接微觀動力學圖像,爲後續新型器件實用化設計提供了新的材料體系參考。

  文章鏈接

图:(a)室温下MFM测量结果;(b)样品磁化状态随磁场的演变;(c)-(d) 实验与微磁学模拟结果;(e)样品结构示意图

打印 責任編輯:葉瑞優

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