進展|X射線誘導產生單個零場斯格明子及其二維「人工晶體」

2020-12-21 中科院物理所

磁斯格明子具有尺寸小和易電流驅動的優點，被認為可以應用於下一代高能效、高密度的磁性存儲器當中。而斯格明子的精確產生則是進一步研究斯格明子物理特性及相關器件的前提。最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M02課題組的光耀同學、劉藝舟博士、於國強特聘研究員、韓秀峰研究員等人與德國馬克斯普朗克智能系統研究所Gisela Schütz教授團隊、美國加州大學洛杉分校Yaroslav Tserkovnyak教授團隊、蘭州大學彭勇教授團隊合作，利用一種具備高時空解析度的軟X射線磁性成像技術，在室溫零場條件下成功誘導產生100 nm尺寸的斯格明子。斯格明子的產生機制是由X射線誘導的交換偏置再定向效應所主導的。除精確地產生單個斯格明子外，他們還利用X射線產生了多種結構的斯格明子二維「人工晶體」。

該項研究利用掃描透射X射線顯微鏡(STXM)對[Pt/Co/IrMn]n交換偏置多層膜結構進行了系統的研究，首次發現X射線輻照可以誘導反鐵磁序的重取向，進而實現了反鐵磁序以及與之耦合的鐵磁序的高空間分辨光學調控。利用這一現象，研究團隊首先成功地在迷宮疇的背景下實現了零外磁場下的任意形狀單疇磁區域，如圖1所示。利用X射線在單疇區域掃描特定小尺寸區域，還能夠精準定位產生單個斯格明子。更進一步，通過大面積的位點掃描，成功地構造出了斯格明子陣列，如三角、正方和kagome三種構形(圖二)。

圖1. X射線誘導的交換偏置再定向效應。a為同步輻射X射線通過在垂直磁場(H)下掃描閉合區域誘導產生均勻的交換偏置，箭頭表示正的磁場方向，b為同步輻射X射線掃描後在零外磁場下測到的物理所(IOP)標誌；c-e為對應的四分之三掃面透射X射線顯微鏡數據截面圖和相應的交換偏置示意圖，IrMn層箭頭表示界面垂直方向的反鐵磁序。b和e中標尺條為1μm。

該項研究為調控反鐵磁序磁結構提供了一種新的思路，利用這種方法還有望進一步推動在交換偏置體系中實現反鐵磁斯格明子。由於X射線的短波長特性，該方法有望用於調控小於10 nm尺寸的反鐵磁序，極大的提高了光控磁的空間解析度。該項研究還能激勵更多利用X射線方法操控磁序的研究，進一步推動磁性材料中針對磁序的高空間解析度光學調控。

圖2. X射線誘導單個斯格明子及斯格明子晶體的產生。a為X射線誘導產生的閉合單疇條(白色虛線矩形框)；b為控制X射線在單疇區域上精準產生的兩個斯格明子；c-d分別為X射線在單疇區域寫入的三角和正方斯格明子人工晶體。d中的標尺條為1μm。

相關工作已在《自然-通訊》雜誌上發表[Y. Guang, I. Bykova, Y. Liu, G. Q. Yu, E. Goering, M. Weigand, J. Grfe, S. K. Kim, J. Zhang, H. Zhang, Z. Yan, C. Wan, J. Feng, X. Wang, C. Guo, H. Wei, Y. Peng, Y. Tserkovnyak, X.F. Han, G. Schütz, Nat. Commun. 11 (2020) 949]。

該項研究得到了科技部、國家自然科學基金委員會、北京市自然科學基金、中科院前沿科學重點研究計劃等有關項目的支持。

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編輯：他和貓

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