首尔大学Tae Won Noh和中科大陆轻铀Nat. Mater. ：超薄氧化物异质结构中的铁电体可调磁性斯格明子

【引言】

磁性斯格明子是纳米尺度的旋转自旋结构，具有非平凡的真实空间拓扑结构。由于各种奇特的特征，包括缺陷和无序的拓扑保护；紧凑和自组织的晶格形式；允许激发、湮灭和控制运动的孤子性质，这种手性自旋构型得到了广泛的研究。这些引人注目的特性不仅为研究非平凡的拓扑物理提供了新的机会，而且为未来的自旋电子学应用提供了巨大的潜力。为了实现集成性高、性能优越的基于斯格明子的自旋电子器件，必须对斯格明子的尺寸、密度、稳定性等性能进行有效控制。

【成果简介】

近日，在韩国基础科学研究所(IBS)、首尔国立大学Tae Won Noh教授团队和中国科学技术大学陆轻铀教授团队带领下，与中国科学院强磁场科学中心、新加坡国立大学和韩国成均馆大学合作，报告了在超薄BaTiO₃/SrRuO₃ (BTO/SRO)双层异质结构中发现铁电体（FE）驱动的、高度可调谐的磁性斯格明子。在BTO中，FE驱动的离子位移可以穿过异质界面，并继续为多个单元单元进入SRO。这种所谓的FE邻近效应已经在不同的FE/金属氧化物异质界面中得到了预测和证实。在BTO/SRO异质结构中，这种效应可以诱导相当大的DMI，从而稳定强大的磁性物质。此外，通过利用BTO覆盖层的FE极化，可以实现对斯格明子性质的局部、可逆和非易失性控制。这种铁电可调的斯格明子系统为设计具有高集成性和可寻址性的基于斯格明子的功能设备提供了一个潜在的方向。相关成果以题为“Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures”发表在了Nat. Mater.上。

【图文导读】

图1 铁电体邻近效应和BTO/SRO界面的DMI

a，BTO/SRO界面铁电体（FE）邻近效应的示意图。BTO中的FE驱动的离子位移可以渗透到SRO中，达到几个单位晶胞（u.c.）的深度。氧和Ti（Ru）之间的离子位移沿着[001]轴表示为δ_Ti-O(δ_Ru-O)。

b，SRO中的DMI具有非零δ_Ru-O。DMI向量D₁₂垂直于由两个Ru阳离子和一个O原子配体组成的假想三角形。

c,d，DMI常数(D) (c)和交换刚度(J) (d)的密度泛函理论（DFT）计算。

图2 BTO/SRO/SrTiO₃（001）异质结构的拓扑霍尔效应

a,b，从具有各种SRO层厚度（t_SRO）（a）和BTO层厚度（t_BTO）（b）的BTO/SRO样品获得的10K的随磁场变化的霍尔电阻率（ρ_xy-H）曲线。BTO(20 u.c.)/SRO(4 u.c.)样品表示为B20S4，相同的表示法适用于其他BTO/SRO样品。红色和蓝色代表H扫描方向。所有曲线中减去OHE的线性贡献。插图是示意性样本结构。

c，ρ_xy，ρ_AHE和ρ_THE相对于H的B20S4样品。ρ_AHE-H曲线来自归一化的M-H曲线。 M的单位是每Ru原子的玻尔磁子（μ_B/Ru）。H扫描方向用实线箭头标出。

d,e，相对于t_SRO和t_BTO的斯格明子密度（n_sk）计算。误差条为不确定性载流子自旋极化P_S=-10±5％。

图3 B20S5样品中磁性斯格明子的磁力显微镜表征

a-e，在5K时在不同的场强下从B20S5样品测量的MFM图像，H扫描从5到-5T。MFM 对比度代表MFM尖端共振频率偏移（Δf）。负（正）Δf表示磁化与外部H平行（反平行）。

f,g，通过b，c和d中的图像逐像素减法获得的MFM图像（以红色框起）。突发出现的斯格明子数量（Δn）和H的间隔（ΔH）被贴上标签。代表性的1型和2型MFM对比分别用实心条和虚线环标记。扫描区域为4×4μm。所有比例尺对应于1μm。

h，等效直径的统计直方图（D_E），根据所有减去的MFM图像中半最大值的域状对比度的面积计算。实验直方图可以通过两个高斯分布很好地拟合。在约90nm处达到峰值的窄峰对应于类型1对比（个体斯格明子）。在~160nm处达到峰值的较宽的一个对应于2型对比（磁泡域或斯格明子簇）。

i，几个代表性的1型MFM对比的横截面线轮廓。全宽半高（FWHM）为~90nm。

j，在5K下测量的M-H（绿色）和ρ_xy-H（红色）曲线。用于拍摄MFM图像的H值由闭合的菱形和空心圆圈标记。

k，在变化n_sk（Δn_sk衍生自）ρ_THE（实心圆，红色）和MFM图像（实心方块，绿色）。误差棒代表Δ的上限和下限n_sk通过将所有2型MFM对比分别作为skyrmion簇和单个磁泡域处理来计算。

n_sk（Δn_sk）的变化来自ρ_THE（实心圆，红色）和MFM图像（实心方块，绿色）。 误差条代表Δn_sk的上限和下限，其通过将所有2型MFM对比分别作为斯格明子簇和单个磁泡域处理而计算。

 图4 对斯格明子性质的FE控制

a，FE域交换和霍尔测量的实验装置示意图。

b-e，不同FE极化状态下B20S4样品的压电响应力显微镜（PFM）相图（上图），ρ_xy-H和ρ_THE-H曲线（下图）。b中的比例尺对应于10μm。将ρ_THE降至零的临界H标记为H_sk。

f，ρ_THE的轮廓图和在完全向上和向下极化配置中测量的斯格明子相图。为清楚起见，在任一图中仅显示一个THE分支。H_sk-T曲线代表斯格明子和铁磁相之间的相界。在底部面板中，向上极化情况下的H_sk-T曲线也作为虚线插入以进行比较。显然，对于向下极化的情况，相界向较低的H和T收缩。

g，最大ρ_THE和相应的归一化n_sk作为向下极化域区域的函数。如虚线（红色）所强调的那样，ρ_THE的变化遵循几乎线性的趋势。

图5 在BTO/SRO界面附近扫描透射电子显微镜表征

B20S4样品的原子分辨的HAADF-STEM图像的离子位移（δ_A-B）曲线。在每个钙钛矿晶胞中，δ_A-B由沿B轴位阳离子和四个A位阳离子的中心位置之间的[001]轴的位移计算。δ_A-B值在每个钙钛矿单层上取平均值，误差棒表示标准偏差。正（负）δ_A-B对应于向上（向下）偏振组态，其以实心方块（空心圆圈）绘制。插图中显示了两种偏振组态中离子位移模式和单位晶胞结构的示意图。

【小结】

团队利用超薄BTO/SRO异质结构作为平台，承载着小型的、高度可调的磁性斯格明子。在这个系统中，靠近BTO/SRO界面的FE邻近效应产生紧急DMI，从而产生了强大的磁性斯格明子。通过利用BTO覆盖层的FE极化，实现了对磁性斯格明子密度和稳定性的局部、可切换和非易失性控制。在设计和制造基于斯格明子设备时，BTO/SRO异质结构中的铁电体可调磁性斯格明子允许显著的多功能性。FE薄膜域交换可可以在从微米到纳米的不同长度尺度上实现。通过缩小FE域大小，不仅可以在显微镜下调整整个斯格明子性质，还可以实现单个斯格明子的成核/删除。

文献链接：Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures（Nat. Mater. , 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0204-4）

本文由材料人编辑部学术组木文韬翻译，材料牛整理编辑。

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