清華新聞網(wǎng)8月27日電 近日，物理系江萬(wàn)軍課題組在稀土永磁材料的自旋電子學(xué)研究方面取得進(jìn)展。通過(guò)界面優(yōu)化以及納米薄膜制備技術(shù)，課題組在稀土永磁SmCo5薄膜材料中率先實(shí)現(xiàn)了磁垂直各向異性。在此基礎(chǔ)上，課題組研究了SmCo5薄膜材料中的自旋軌道力矩效應(yīng)，以及不同類(lèi)型的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)。
在廣泛研究的重金屬/鐵磁膜中，自旋軌道力矩可以有效地操縱磁化強(qiáng)度，界面反演對(duì)稱(chēng)破缺同時(shí)也可以衍生出磁斯格明子。這些基礎(chǔ)研究可以為未來(lái)自旋器件提供新思路，因而是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。盡管傳統(tǒng)磁性材料自旋電子學(xué)已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，探索具有優(yōu)異性能的新材料體系一直是本領(lǐng)域的研究前沿。SmCo5是一種稀土永磁材料，它具有強(qiáng)磁各向異性，被用作為高密度記錄介質(zhì)。若將其應(yīng)用在界面自旋電子器件，在提高自旋器件的熱穩(wěn)定性的同時(shí)，也能提高器件存儲(chǔ)密度。
圖1：Pt/SmCo5/Ta三層膜的磁性以及自旋軌道力矩調(diào)控。(a) 界面反演對(duì)稱(chēng)破缺薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。(b)三層膜磁性隨SmCo5厚度的演化，表明Pt/SmCo5/Ta三層膜中的垂直各向異性與SmCo5厚度之間強(qiáng)烈的依賴(lài)關(guān)系。(c)Pt/SmCo5/Ta三層膜中自旋流產(chǎn)生示意圖。(d)霍爾器件的光學(xué)圖片。(e)-(f)正負(fù)面內(nèi)磁場(chǎng)下，自旋軌道矩驅(qū)動(dòng)磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)。
通過(guò)界面工程，江萬(wàn)軍課題組成功制備出了具有垂直各項(xiàng)異性的SmCo5薄膜，并利用重金屬Pt的自旋霍爾效應(yīng)，在Pt/SmCo5/Ta多層膜中觀(guān)察到了自旋軌道力矩誘導(dǎo)的垂直磁化強(qiáng)度翻轉(zhuǎn)，以及手性磁性相互作用。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在[Pt/SmCo5/Ta]15多層膜中觀(guān)察到了直徑約100 nm 的室溫拓?fù)渌垢衩髯?skyrmion,拓?fù)鋽?shù)為1)，在[Pt/SmCo5/Ir]15多層膜中觀(guān)察到了圓環(huán)狀磁結(jié)構(gòu)(skyrmionium,拓?fù)鋽?shù)為0)。利用微磁學(xué)模擬，團(tuán)隊(duì)揭示了這些非共線(xiàn)磁結(jié)構(gòu)內(nèi)部的三維自旋分布。該研究工作表明，通過(guò)界面性能調(diào)控，稀土永磁材料SmCo5或?qū)⒊蔀橐粋€(gè)新的自旋軌道電子學(xué)研究平臺(tái)，為未來(lái)小型化的自旋軌道器件提供了一個(gè)新思路。
圖2：[Pt/SmCo5/N]15(N = Ta,W, Ir)多層膜的面外磁滯回線(xiàn)，相應(yīng)的多層膜中利用X射線(xiàn)磁元二色譜觀(guān)測(cè)的磁疇圖像，以及微磁學(xué)模擬驗(yàn)證。X射線(xiàn)透射顯微鏡的測(cè)量以及微磁學(xué)模擬結(jié)果表明，在[Pt/SmCo5/Ta]15多層膜中能夠形成100納米級(jí)的斯格明子，在[Pt/SmCo5/W]15多層膜中能夠形成手性條紋疇，而在[Pt/SmCo5/Ir]15多層膜中能夠形成圓環(huán)狀的磁結(jié)構(gòu)(skyrmionium，拓?fù)鋽?shù)為0)。
相關(guān)研究成果于8月15日以“稀土永磁材料SmCo5的自旋軌道電子學(xué)應(yīng)用”(Rare-Earth Permanent Magnet SmCo5for Chiral Interfacial Spin-Orbitronics)為題發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
該論文第一作者為清華大學(xué)博士后周恒安，來(lái)自國(guó)防科技大學(xué)的訪(fǎng)問(wèn)博士研究生劉嘉豪為第二作者（等同貢獻(xiàn)），合作者包括美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)光源的Mi-YoungIm博士，以及清華大學(xué)材料學(xué)院朱靜院士，通訊作者為物理系江萬(wàn)軍副教授。該研究成果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、北京市自然科學(xué)基金、北京未來(lái)芯片中心(ICFC)、清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目理科專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃、韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)等的資助和支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202104426
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：呂婷
