科研人員在氧化物薄膜中直接觀測到斯格明子

中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員陸輕鈾課題組在斯格明子的研究中取得新進展。該課題組人員利用自主研製的強磁場磁力顯微鏡（MFM），首次實現了氧化物薄膜中skyrmions（斯格明子）的直接觀測。相關研究作為國際合作成果，於11月5日以Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures為題發表在國際期刊《自然-材料》（Nature Materials）上。

高密度、快速、低成本的數據存儲是當今信息革命最重要的基礎之一。在過去的50年里，由於磁存儲設備的快速發展，硬碟驅動器（HDD）已經成為我們日常生活中最常見的數據存儲設備。然而，目前由於個人電子設備的快速發展和大數據分析的需要，當前主要基於硅微電子和磁隧道結的磁存儲器件越來越無法滿足人們在存儲密度和速度上的需要。因此，材料科學家和凝聚態物理學家總是渴望為下一代磁記憶設備尋找新的磁系統。

磁性skyrmions是一種有著粒子性質的自旋保護結構。其尺寸可以小到甚至只有幾納米，有著拓撲保護的穩定性，並且能被極低功率的自旋極化電流所驅動。由於這些引人注目的特性，磁性skyrmions被普遍認為可能成為下一代磁存儲器件中的理想數據存儲單元。

來自韓國關聯電子系統研究中心的Noh等人製備出性能突出的BaTiO3/SrRuO3 氧化物薄膜。通過霍爾測量可以預測系統中可能存在有skyrmions。為了驗證這一點，一個直接的微觀成像研究就顯得尤為重要。

陸輕鈾課題組利用自主研製的高靈敏MFM，直接觀測到了該系統中的skyrmions，這也是首次在氧化物薄膜中觀測到skyrmions。

該課題組首先將樣品零場冷到4.5K。在整個MFM測量過程中，來自原子尺度的形貌干擾一直存在。同時，樣品只有5個單胞的厚度，整體磁性較弱，加之skyrmions本身尺寸小、磁性微弱。這些不利的因素綜合起來，使得成像工作非常具有挑戰性。最終，課題組憑藉該MFM的高靈敏特性，在+5T到-5T的變磁場過程中，觀察到與樣品原子級形貌疊加的磁結構信號。為了除去本底的形貌信號，課題組採用了逐像素相減的方法，將相近磁場下測得的MFM圖像兩兩相減，很乾凈地消除了樣品原子級台階信號的干擾。根據尺寸以及形狀的不同，觀測到的磁結構可分為單個的skyrmions以及skyrmions簇或者bubbles。

成像結果直接證實了該樣品體系中skyrmions的存在。同時，也測量出該體系中skyrmions的尺寸分布、密度變化，及其微觀動力學行為。

這一結果不僅為人們深入理解氧化物薄膜中的skyrmions提供了實驗基礎，而且為人們從微觀角度認識和操控skyrmions提供了參考。

強磁場中心自主研發的該高靈敏磁力顯微鏡（MFM），可在4.5K-300K和18/20T 磁場下對微觀磁結構進行調控與成像，可對3um小樣品進行精準定位與測量，並能對3-5層的少數原子或單胞層磁性樣品實現磁結構成像，這是國際上迄今達到的最高水平。

MFM成像結果

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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