薄膜異質(zhì)結(jié)中磁性斯格明子的相關(guān)研究?

李文靜 光耀 于國強(qiáng) 萬蔡華 豐家峰 韓秀峰

(中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家研究中心,北京 100190)

磁性斯格明子由于具有拓?fù)浔Ｗo(hù)、尺寸小、驅(qū)動(dòng)電流密度低等優(yōu)異的屬性,有望作為未來超高密度磁存儲和邏輯功能器件的信息載體.為了滿足器件中信息寫入和讀取的基本要求,需要在室溫下實(shí)現(xiàn)斯格明子的精確產(chǎn)生、操控和探測.該綜述簡要介紹最近我們針對上述問題取得的一系列研究進(jìn)展,包括:1)證明可以通過控制磁性薄膜材料的垂直磁各向異性在室溫下產(chǎn)生斯格明子,并進(jìn)一步在基于反鐵磁的薄膜異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)了室溫、零磁場下穩(wěn)定存在的斯格明子;2)證明能夠利用電流產(chǎn)生的自旋軌道力矩操控斯格明子,并進(jìn)一步制備出一種基于斯格明子的原理型器件,實(shí)現(xiàn)了利用電學(xué)方式產(chǎn)生和操控?cái)?shù)量可控的斯格明子.

1 引 言

近年來,凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中有關(guān)磁性斯格明子的研究受到了人們的廣泛關(guān)注,主要原因是它具有拓?fù)浔Ｗo(hù)、尺寸小、驅(qū)動(dòng)電流密度低等優(yōu)異的屬性,有望應(yīng)用于高密度、低功耗的磁存儲和邏輯器件[1?19].斯格明子是一種具有準(zhǔn)粒子特性的螺旋狀手性磁結(jié)構(gòu).在如圖1所示的斯格明子結(jié)構(gòu)中,沿徑向排列的原子自旋按固定的手性逐漸改變方向,從外部邊緣的方向向上改變至中心的方向向下.大多數(shù)情況下,斯格明子的手性結(jié)構(gòu)是由Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用導(dǎo)致的.與海森伯交換相互作用不同,DM相互作用趨向使相鄰磁矩正交排列,進(jìn)而形成手性螺旋結(jié)構(gòu)[20?22].常見的斯格明子主要有兩種自旋結(jié)構(gòu)[2],分別是Bloch 型(圖1(a)和Néel型(圖1(b)).兩者的區(qū)別表現(xiàn)為自旋在空間中旋轉(zhuǎn)方式的不同,可以直接類比于磁疇壁的兩種類型.沿著一個(gè)斯格明子的徑向切開,如果自旋是垂直于切開面旋轉(zhuǎn),則為Bloch型斯格明子;如果自旋是沿著切開面旋轉(zhuǎn),則為Néel型斯格明子.

目前,關(guān)于斯格明子的研究主要集中在兩類材料體系.第一類是具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的塊體材料,例如MnSi[23?25],FeCoSi[26,27],FeGe[6,28?30],Cu2OSeO3[31?33],MnNiGa[34,35]等. 在這類材料中,DM相互作用起源于晶體結(jié)構(gòu)的對稱性破缺,趨向形成Bloch型斯格明子.這類斯格明子通常存在于低溫或接近室溫的環(huán)境.第二類材料是重金屬/鐵磁金屬薄膜異質(zhì)結(jié).在這類材料中,DM相互作用起源于界面反演對稱性破缺,趨向形成Néel型斯格明子.這類斯格明子最早發(fā)現(xiàn)于Ir(111)/Fe,Ir(111)/PdFe等外延超薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)[36,37],目前只能在低溫下穩(wěn)定存在.隨后,人們在利用磁控濺射生長的垂直磁性多層膜體系中,觀察到了室溫斯格明子[38?46].由于這類薄膜異質(zhì)結(jié)材料與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造技術(shù)相兼容,容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)上的大規(guī)模制備,因此受到了人們的廣泛關(guān)注.本文簡要介紹我們近幾年有關(guān)磁性多層膜材料中斯格明子的研究成果,并討論相關(guān)器件應(yīng)用的優(yōu)勢和尚待解決的問題.鑒于本期專題其他文章將會全面介紹斯格明子研究的歷史和最新進(jìn)展,為了避免重復(fù),該綜述將主要介紹我們過去幾年發(fā)表的研究成果.

圖1 (a)是B loch型斯格明子,沿著斯格明子的徑向切開,其自旋從邊緣處的向上(紅色箭頭)逐漸垂直于切面旋轉(zhuǎn)至中心處的向下(藍(lán)色箭頭);(b)是Néel型斯格明子,沿著斯格明子的徑向切開,其自旋從邊緣處的向上逐漸沿著切面旋轉(zhuǎn)至中心處的向下Fig.1.(a)The Bloch-type skyrmion:cutting the skyrmion from its radial,the spins rotate from up direction at the edge(red arrow)to down direction at the center(blue arrow)in the tangential plane.(b)The Néel-type skyrmion:cutting skyrmion from its radial,the spins rotate from up direction at the edge(red arrow)to down direction at the center(blue arrow)in the cutting plane.

2 界面DM相互作用

在一個(gè)缺少空間反演對稱性的多層膜體系中,材料的自旋軌道耦合會導(dǎo)致產(chǎn)生一個(gè)非對稱的交換相互作用,即DM相互作用(HDMI).其形式可以寫成[3,47]

其中,S1和S2是兩個(gè)相鄰的自旋;d12是相應(yīng)的DM矢量,其表達(dá)式為

其中,z是垂直于界面的單位矢量(由重金屬指向鐵磁層),u12是連接兩個(gè)自旋磁矩S1和S2的單位位移矢量.如圖2所示:d12的正負(fù)與材料自身性質(zhì)相關(guān).對于d12>0,d12的方向與圖中藍(lán)色箭頭反向,故為了降低HDMI能量,從S1到S2自旋取向應(yīng)當(dāng)按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).同理,對于d12<0,d12方向與圖中藍(lán)色箭頭同向,則S1到S2自旋取向應(yīng)當(dāng)按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn).可見,DM相互作用是一種手性相互作用,它傾向于使磁矩按一定方向(順時(shí)針或逆時(shí)針)正交排列.

由于界面DM相互作用是薄膜材料中斯格明子存在的關(guān)鍵因素,精確地測量、調(diào)控材料中的DM相互作用以及尋找新的DM相互作用材料對于斯格明子的研究至關(guān)重要.目前,人們已經(jīng)開發(fā)出多種研究薄膜異質(zhì)中DM相互作用的方法[48?58].在之前的工作中,我們主要采用了三種方法研究薄膜異質(zhì)結(jié)中的DM相互作用.第一種方法是通過研究磁疇壁在電流驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)力學(xué)過程,間接地判斷材料中DM相互作用的符號.通過這種方法,我們證明了Ta/CoFeB/MgO異質(zhì)結(jié)中的磁疇壁具有Néel型手性結(jié)構(gòu)[59],并且能夠定性地分析出其具有右手手性(d12<0).第二種方法是通過數(shù)值擬合薄膜中磁疇尺寸和外磁場的依賴關(guān)系提取出DM相互作用的絕對值.利用這種方式,能夠定量地表征出Ta/CoFeB/M gO薄膜異質(zhì)結(jié)中的DM相互作用,其絕對值大小為0.25 mJ/m2[41].這種方法的優(yōu)勢在于不需要對薄膜樣品進(jìn)行器件加工,因此不會破壞薄膜樣品.最近,利用布里淵光散射方法,Ma等[60]直接測量了多種薄膜異質(zhì)結(jié)中的界面DM相互作用常數(shù)d12.在利用Pt插層調(diào)制垂直磁各向異性的薄膜異質(zhì)結(jié)中,他們從實(shí)驗(yàn)上直接測量得到材料中的DM相互作用大小和方向;同時(shí),還證明Pt插層不僅可以調(diào)制界面垂直磁各向異性,而且還會改變DM相互作用的大小.這為調(diào)節(jié)DM相互作用提供了一種手段.利用這種測量方法,他們實(shí)驗(yàn)上還研究了基于反鐵磁Ir22Mn78(IrMn)薄膜異質(zhì)結(jié)的DM相互作用,發(fā)現(xiàn)該體系同樣具有相當(dāng)大的DM相互作用.更有趣的是,增加IrM n層厚度可以將DM相互作用大小提高七倍[61],這似乎意味著DM相互作用與反鐵磁序有一定的相關(guān)性.在反鐵磁異質(zhì)結(jié)中發(fā)現(xiàn)DM相互作用,意味著斯格明子的研究不再局限于重金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu),為相關(guān)研究提供了更多的可能性.更進(jìn)一步,M a等[62]最近又通過研究5d過渡族金屬材料異質(zhì)結(jié)中的DM相互作用變化趨勢,揭示了DM相互作用與費(fèi)米面附近3d-5d電子軌道雜化的重要性,并發(fā)現(xiàn)了DM相互作用與自旋混合電導(dǎo)(spin-mixing conductance)的相關(guān)性.通過該工作可進(jìn)一步地理解DM相互作用的起源,為設(shè)計(jì)材料中DM相互作用提供了指導(dǎo).目前,有關(guān)DM相互作用的材料和測量方法的研究是自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),尋找具有更大的DM相互作用材料和更精確的測量方法仍然是人們努力的目標(biāo).

圖2 鐵磁金屬(FM)/重金屬(HM)界面的DM相互作用示意圖 紅色箭頭S 1和S 2分別代表鐵磁金屬層中自旋的方向,綠色圓球代表重金屬原子,u 12代表由自旋S 1指向S 2的單位位移矢量,藍(lán)色箭頭為垂直于側(cè)面朝外的單位矢量Fig.2.Sketch of the DM interaction at the ferromagnetic metal(FM)/heavy metal(HM)interface:The red arrow s S 1 and S 2 rep resent the direction of spins in the ferromagnetic layer,the green ball rep resents heavy metal atoms,and u 12 rep resents the unit displacement vector from S 1 to S 2,and the blue arrow is a unit vector that is perpend icu lar to the sidewall and pointing outward.

3 CoFeB多層膜體系中斯格明子的產(chǎn)生

3.1 室溫斯格明子的產(chǎn)生

對于一個(gè)實(shí)用化的器件而言,首先需要滿足室溫工作的要求,因此尋找一種室溫下穩(wěn)定存在的斯格明子材料成為近期的研究熱點(diǎn).我們的工作證明,通過調(diào)制具有DM相互作用的薄膜異質(zhì)結(jié)中的垂直磁各向異性,能夠產(chǎn)生室溫下的斯格明子[41]. 所研究的磁性多層膜的結(jié)構(gòu)是Ta(5 nm)/Co20Fe60B20(CoFeB)(1 nm)/Ta(t)/MgO(2 nm)/Ta(2 nm),其中Ta(t)插層為厚度連續(xù)變化的楔形膜.通過改變Ta插層的厚度,可以調(diào)控多層膜的界面垂直磁各向異性.如圖3所示,隨著Ta厚度的增加,垂直磁各向異性場HK呈單調(diào)下降.圖4展示了具有不同垂直磁各向異性的多層膜中的磁疇結(jié)構(gòu)隨外磁場的演化過程.對垂直磁各向異性場HK較大的薄膜(HK=1.5,1.8 kOe),隨著外磁場的增加,多層膜磁疇結(jié)構(gòu)逐漸從迷宮疇過渡到均勻磁化狀態(tài),整個(gè)過程中間并沒有出現(xiàn)斯格明子相.當(dāng)薄膜的垂直磁各向異性場HK適中時(shí)(HK=1.1 kOe),隨著外磁場的增加,迷宮疇逐漸轉(zhuǎn)變形成斯格明子相.繼續(xù)增加磁場,斯格明子相最終轉(zhuǎn)變成均勻磁化狀態(tài).

圖3 垂直磁各向異性場H K隨著Ta厚度的變化,其中插圖是CoFeB多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖 紅色線是對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線性擬合,黑色虛線(對應(yīng)Ta的名義厚度t=0.82 ?)是斯格明子出現(xiàn)的分界線,當(dāng)各向異性場H K較大時(shí),不能觀察到斯格明子;當(dāng)H K較小時(shí),在一定外場下可以產(chǎn)生斯格明子Fig.3.The perpendicu lar magnetic anisotropy field H K varies with the thickness of Ta,where the inset is a schematic diagram of the structure of CoFeB multilayer film.The red line is a linear fit to the experimental data.The black dashed line(corresponding to the nominal thickness t=0.82 ? for Ta layer)is the dividing line of the appearance of skyrmion:no skyrmion was observed with large anisotropy field H K.W hen the H K is small,skyrmion can be created under certain field.

圖5 是實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的磁疇結(jié)構(gòu)相圖.由圖可以看出,只有當(dāng)垂直磁各向異性場HK和外加磁場位于合適的范圍內(nèi)時(shí),才能出現(xiàn)穩(wěn)定的斯格明子相.簡言之,薄膜材料中斯格明子相的出現(xiàn)是由海森伯交換相互作用、界面DM相互作用、靜磁相互作用、垂直磁各向異性、塞曼能等相互作用能量項(xiàng)共同決定的.通過有效地調(diào)制其中的垂直磁各向異性,同時(shí)通過變化外磁場來改變?nèi)?能夠讓各能量項(xiàng)之間的競爭關(guān)系達(dá)到一定的平衡,進(jìn)而使斯格明子相成為穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài).該工作的重要意義在于提出了一種實(shí)現(xiàn)室溫斯格明子的方法,并且能夠很容易地拓展到其他的薄膜材料體系.事實(shí)上,對垂直磁各向異性的調(diào)控并不僅僅局限于采用插層的方式,利用應(yīng)力、電場等其他方式也可以達(dá)到同樣效果.例如,我們之前的工作就詳細(xì)地研究了利用電壓誘導(dǎo)的應(yīng)力調(diào)控垂直磁各向異性[63].在該實(shí)驗(yàn)中通過給底部的壓電材料PMN-PT施加電壓,在CoFeB磁性層中產(chǎn)生的應(yīng)力可以導(dǎo)致垂直磁各向異性產(chǎn)生很大的變化,高達(dá)約7000 fJ/(V·m),較其他的調(diào)控方法有一定的優(yōu)勢(見文獻(xiàn)[64]中圖45).基于這種機(jī)理,人們有希望通過電場調(diào)控產(chǎn)生斯格明子.另外,我們之前的理論研究指出,利用電場還可以控制斯格明子的路徑,因此可以幫助實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能[65].可以預(yù)見,研究電場調(diào)控下的斯格明子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)將是一個(gè)重要的研究方向.

圖4 不同垂直各向異性場H K的多層膜的磁疇隨外磁場的變化 (a)—(c)H K≈1.8 k Oe;(d)—(f)H K≈1.5 k Oe;(g)—(i)H K≈1.1 kOe;磁疇圖中亮(暗)區(qū)域分別代表M z>0(M z<0)Fig.4.Polar-magneto-optical Kerr microscope images of samples with perpendicular magnetic anisotropy fields of H K ≈ 1.8 kOe(a)–(c),1.5 kOe(d)–(f),and 1.1 k Oe(g)–(i)varied with different out-of-plane external field.The bright(dark)areas rep resent M z>0(M z<0).

圖5 斯格明子在外磁場H z和各向異性場H K平面內(nèi)的相圖其中不同顏色代表斯格明子在一個(gè)233μm ×174μm觀測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的密度;FM,Str和Sky分別代表鐵磁相、條狀疇相和斯格明子相;白色虛線是相線;綠星是數(shù)值模擬得到的斯格明子的湮沒場,和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好Fig.5.Skyrmion phase diagram with respect to external magnetic field H z and perpendicular magnetic anisotropy field H K.The color scale represents the density of skyrmion in an observed area of 233μm ×174μm.FM,Str,and Sky rep resent ferromagnetic phase,stripe phase,and skyrmion phase,respectively.The white dotted line is phase boundary.The green star is the simulated annihilation field of skyrmion,in consistent with experimental results.

3.2 零磁場下斯格明子的產(chǎn)生

如前所述,我們能夠在基于重金屬材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)室溫斯格明子,但這需要施加一個(gè)垂直于薄膜平面的外磁場.在器件應(yīng)用中,雖然能夠通過集成一個(gè)施加磁場的裝置來產(chǎn)生這個(gè)外磁場,但這會增加器件的復(fù)雜性,因而增加器件的制造成本.為了解決這一問題,我們研究了基于反鐵磁材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的斯格明子,證明可以利用反鐵磁提供的交換偏置場代替外磁場實(shí)現(xiàn)室溫零外磁場的斯格明子[66].所研究的薄膜樣品采用磁控濺射方法生長,具體結(jié)構(gòu)為Ta(2 nm)/IrMn(4或5 nm)/Co20Fe60B20(CoFeB)(t)/MgO(2 nm)/Ta(2 nm).其中,CoFeB厚度t為連續(xù)變化的楔形膜,用來調(diào)節(jié)界面垂直各向異性,進(jìn)而產(chǎn)生斯格明子.如圖6(a)所示,當(dāng)反鐵磁IrMn層厚度為4 nm時(shí),樣品的磁化曲線中心位于零磁場,樣品中不存在交換偏置現(xiàn)象,主要原因是它的反鐵磁釘扎溫度(blocking temperature)小于室溫.在這種情況下,多層膜的磁疇隨外磁場的演化過程與基于重金屬Ta的異質(zhì)結(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似[41],都需要施加外磁場來穩(wěn)定斯格明子相(圖6(c)).由于釘扎溫度和反鐵磁層的厚度直接相關(guān),當(dāng)反鐵磁IrMn厚度增加到5 nm,磁化曲線發(fā)生了位移,樣品中出現(xiàn)了交換偏置現(xiàn)象,如圖6(b)所示.在這個(gè)結(jié)構(gòu)中,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在反鐵磁材料提供的交換偏置場的作用下,室溫斯格明子可以在零外磁場下穩(wěn)定存在(圖6(d)).該體系中零磁場斯格明子的尺寸是通過具有極高空間分辨率的金剛石氮-空位(nitrogen vacancy,NV)色心表征的,其大小約為600 nm.實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),零磁場下斯格明子的密度與磁場掃描的歷史路徑密切相關(guān),利用這個(gè)特點(diǎn)可以有效地改變零磁下的斯格明子的密度.此外,實(shí)驗(yàn)還證明了一個(gè)面內(nèi)電流可以驅(qū)動(dòng)該材料體系中的斯格明子的移動(dòng).這是由于電流在反鐵磁IrMn中同樣可以產(chǎn)生相當(dāng)大的自旋軌道力矩[67,68].該部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果在下面會進(jìn)一步介紹.這個(gè)實(shí)驗(yàn)將斯格明子材料從重金屬體系拓展到反鐵磁體系,額外添加了反鐵磁序這一可控參量,為斯格明子的應(yīng)用帶來了更多的可能性.

圖6 IrMn/CoFeB薄膜異質(zhì)結(jié)中的斯格明子 (a),(c)t Ir M n=4 nm無交換偏置的多層膜的磁化曲線和其在不同外加磁場下的磁疇結(jié)構(gòu);(b),(d)t Ir M n=5 nm有交換偏置的多層膜的磁化曲線和相應(yīng)的磁疇結(jié)構(gòu);其中,(a)中插圖為多層膜的結(jié)構(gòu)示意圖,藍(lán)色箭頭代表從正到負(fù)掃場,紅色箭頭代表從負(fù)到正掃場[66]Fig.6.Hysteresis loops of IrMn/CoFeB/MgO/Ta,(a)IrMn(4 nm),(b)IrMn(5 nm).The inset in(a)shows the structure of prepared sample.The red arrow stands for magnetic field scanning from negative saturation to positive saturation,whereas,the blue arrow rep resents magnetic field sweeping from opposite direction.(c)and(d)are the Polar-MOKE images of samples in(a)and(b)in different field.

4 電流驅(qū)動(dòng)斯格明子的運(yùn)動(dòng)和相關(guān)原理型器件的研究

4.1 電流驅(qū)動(dòng)斯格明子的運(yùn)動(dòng)

前面介紹了如何在薄膜異質(zhì)結(jié)中產(chǎn)生穩(wěn)定的斯格明子,下面探討如何利用電流誘導(dǎo)的自旋軌道力矩驅(qū)動(dòng)斯格明子運(yùn)動(dòng).這里,僅討論IrMn/CoFeB異質(zhì)結(jié)中自旋軌道力矩驅(qū)動(dòng)下斯格明子的動(dòng)學(xué)力過程,由于重金屬材料中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此類似,不再贅述.當(dāng)在異質(zhì)結(jié)中通入一個(gè)電流時(shí),由于自旋霍爾效應(yīng),會產(chǎn)生一個(gè)具有面內(nèi)自旋極化方向的自旋流,并向上擴(kuò)散注入到鄰近的鐵磁層,進(jìn)而對鐵磁層磁矩產(chǎn)生類阻尼力矩,其有效場可表達(dá)為Heff=Heff(m×σ)(其中m是磁化強(qiáng)度單位矢量,σ是自旋流中電子自旋的方向,即垂直于紙面朝外)[66].圖7(a)中綠色箭頭標(biāo)記了單個(gè)斯格明子的左右兩邊磁疇壁中的磁矩(Mz=0)所經(jīng)受的類阻尼自旋軌道耦合力矩有效場Heff的方向.很容易看出,在該有效場的作用下,斯格明子將沿著電流的方向運(yùn)動(dòng).需要指出的是,在這個(gè)簡單的分析中只考慮了斯格明子的縱向運(yùn)動(dòng),對于其橫向運(yùn)動(dòng),這里不展開討論.圖7(b)—(e)展示了在IrMn/CoFeB多層膜中施加一個(gè)脈沖電流后觀察到的拓?fù)潆姾蓴?shù)為N=?1的斯格明子位置隨時(shí)間的變化情況.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,斯格明子的縱向運(yùn)動(dòng)方向與外加電流的方向保持一致,因此可以推斷圖中的斯格明子具有如圖7(a)所示的自旋結(jié)構(gòu),即具有左手手性.這種通過斯格明子動(dòng)力學(xué)研究間接得到的手性與通過布里淵光散射得到的結(jié)論是一致的[60].值得指出的是,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)圖中一些斯格明子不易被電流驅(qū)動(dòng),很可能是受到樣品缺陷等因素的影響.這種釘扎效應(yīng)在反鐵磁交換偏置存在的情況下更加明顯,我們推斷這與反鐵磁交換偏置場的空間不均勻性有關(guān).這些釘扎效應(yīng)嚴(yán)重影響了電流驅(qū)動(dòng)斯格明子運(yùn)動(dòng)的均一性,增大了臨界電流密度,是今后實(shí)際應(yīng)用過程中需要解決的問題.

圖7 (a)左手性的斯格明子在正向電流J x驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)示意圖 其中藍(lán)色和黑色區(qū)域分別代表M z>0和M z<0,白色箭頭代表磁疇壁中心處的磁矩取向,綠色箭頭代表作用在斯格明子的左右磁疇壁上的類阻尼力矩對應(yīng)的有效場(H eff=H eff(m×σ)),在側(cè)壁上的藍(lán)色⊙和紅色?代表自旋極化電子的方向;(b)—(e)外磁場為10.4 Oe時(shí),N=?1的斯格明子在脈沖電流的驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng),其中,(b)和(c)中電流J x方向?yàn)檎?(d)和(e)中電流J x方向?yàn)樨?fù),(b)和(d)中紅色和黃色圓圈代表追蹤的斯格明子的初始位置,(c)和(e)中紅色和黃色圓圈代表施加脈沖電流后追蹤的斯格明子的末態(tài)位置[66]Fig.7.(a)Schematic diagrams of left-handed skyrmion driven by a positive current J x:the blue(b lack)areas rep resent M z>0(M z<0),the magnetizations in the domain wall center are indicated by the white arrows,the effective field of dam ping-like torque(H eff=H eff(m×σ))acting on the left and right magnetic domain walls is indicated by green arrow,and the blue⊙a(bǔ)nd redon the side wall are the directions of the polarized electrons(b)–(e)is the motion of N= ?1 skyrmion driven by pulse current under 10.4 Oe magnetic field:the current in(b)and(c)is positive,but in(d)and(e)it is negative,the red and yellow cycles in(b)and(d)are the initial positions of the tracked skyrmion bubbles,and in(c)and(e)the red and yellow circles show the final position of the tracked skyrmion bubbles.

4.2 斯格明子原理型器件的研究

圖8 斯格明子位移存儲器的示意圖 其中,藍(lán)色圓圈代表在CoFeB層中產(chǎn)生的斯格明子,右下角展示了一個(gè)單獨(dú)的斯格明子及其自旋結(jié)構(gòu);寄存器通道的左邊藍(lán)色條帶是電流誘導(dǎo)SOT產(chǎn)生的條狀疇,通道上的橘色(藍(lán)色)區(qū)代表CoFeB磁矩M z>0(M z<0);通道側(cè)壁上的J e代表電流方向,紅色和藍(lán)色箭頭代表重金屬中由于自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的極化電子的自旋方向;單獨(dú)斯格明子的寫入是通過施加一個(gè)給定寬度的低幅值脈沖電流(I W rite),而操縱和移動(dòng)一個(gè)斯格明子則是通過施加一個(gè)短時(shí)間高幅值的脈沖電流(I Sh ift);信息的讀出可以通過一個(gè)具有垂直釘扎層的磁性隧道結(jié)來探測斯格明子的有(代表“1”)和無(代表“0”),磁性隧道結(jié)中PL和FL分別代表釘扎層和自由層Fig.8.Proposed SKS memory device.The blue circles rep resent skyrmions in the CoFeB layer.The spin textures of a skyrmion are show n in the lower right corner.The blue stripe at the left edge of the device channel represents a stripe domain generated by the current-induced SOT.The regions with orange(blue)colors rep resent M z>0(M z<0)of the CoFeB layer.J e on the side wall of the channel rep resents the direction of current,and the red and blue arrows show the spin directions of polarized electrons in the heavy metal due to the spin Hall effect.The writing of individual skyrmion is realized by applying a low amplitude current pulse(I W rite)with a given duration,whereas the shifting and moving of existing skyrmions is realized by applying current pulses with a shorter duration and a higher magnitude(I Sh ift).The readout of in formation can be realized by using a MTJ with an ou t-of-plane pinned layer as a reference to detect the presence(rep resenting “1”)or absence(rep resenting “0”)of a skyrmion from TMR.The PL and FL refer to the pinning layer and free layer in the MTJ,respectively.

研究斯格明子的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)相關(guān)的存儲和邏輯器件.要想制備一個(gè)可實(shí)用的斯格明子原理型器件,需要能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)斯格明子精確的產(chǎn)生、操控和檢測,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對應(yīng)信息存儲單元數(shù)據(jù)的寫入、傳輸/尋址和讀取.圖8是之前理論提出的斯格明子“賽道”存儲器的示意圖.在這個(gè)器件中,一組二進(jìn)制數(shù)據(jù)以斯格明子的有和無記錄在“賽道”中.斯格明子的產(chǎn)生和操控均是由電學(xué)方式完成的.斯格明子的檢測則是利用條帶右端的磁性隧道結(jié)(magnetic tunnel junction)來實(shí)現(xiàn)的.為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的器件,首先需要找一種方法,能夠利用電流精確產(chǎn)生單個(gè)的斯格明子.為了解決這個(gè)問題,我們研究了如圖9(a)所示的器件中電流驅(qū)動(dòng)斯格明子的產(chǎn)生和運(yùn)動(dòng)規(guī)律.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),通過在條帶兩端施加一個(gè)寬度大、幅值小的脈沖電流,可以在器件負(fù)電極一端產(chǎn)生一個(gè)斯格明子[40].因此,通過脈沖電流可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入.這種寫入方式還具有一個(gè)特點(diǎn),就是斯格明子產(chǎn)生的位置和電流方向是相關(guān)的,其總是在器件負(fù)電極一端產(chǎn)生.因此,利用這個(gè)特點(diǎn),可以通過控制電流方向來控制數(shù)據(jù)寫入的端口.

圖9 (a)實(shí)驗(yàn)裝置的光學(xué)顯微鏡圖;(b),(c)分別為負(fù)向和正向的脈沖電流驅(qū)動(dòng)單個(gè)斯格明子的產(chǎn)生和移動(dòng);斯格明子的產(chǎn)生和移動(dòng)過程:首先施加一個(gè)足夠大的磁場將多層膜沿著+z方向飽和磁化,接著將磁場減小到H⊥=2.7 Oe,之后施加一個(gè)大小為2 V的脈沖電流持續(xù)5 ms可以產(chǎn)生單個(gè)斯格明子;斯格明子的運(yùn)動(dòng)可以通過施加一系列大小為8 V,寬度為10μs的脈沖電流來驅(qū)動(dòng)Fig.9.(a)Optical microscope image of a SKS memory device;(b),(c)the generation and motion of a single skyrmion by a negative(b)and positive(c)current pulses,respectively.The generation and movement process of a skyrmion:a large enough magnetic field was first applied to saturate the magnetization along the+z-direction,then reducing the field to H⊥=2.7 Oe.Later,a single skyrmion was generated by a current pulse with a magnitude of 2 V and duration of 5 ms.The movement of skyrmions can be realized by a series of pulses with a magnitude of 8 V and duration of 10μs.

下面,分析電流驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生單個(gè)斯格明子的物理機(jī)理.斯格明子的產(chǎn)生主要分為兩個(gè)步驟.首先,電流在器件負(fù)電極一端的收縮區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)條形磁疇.我們認(rèn)為,條形磁疇的產(chǎn)生與DM相互作用造成的“賽道”邊端磁矩傾斜是直接相關(guān)的,如圖10所示.由于“賽道”負(fù)電極邊端的磁矩發(fā)生順時(shí)針傾斜,導(dǎo)致了自旋軌道力矩容易在此處造成磁矩反轉(zhuǎn),進(jìn)而形成條形疇.而DM相互作用在“賽道”的正電極一端造成的磁矩傾斜是逆時(shí)針方向的,這增大了自旋軌道力矩翻轉(zhuǎn)磁矩的勢壘,因此導(dǎo)致條形疇的產(chǎn)生總是沿著電流方向首先在器件負(fù)電極一端產(chǎn)生,具有單向選擇性.在條形疇產(chǎn)生之后,電流會驅(qū)動(dòng)條形疇的邊端繼續(xù)運(yùn)動(dòng),并進(jìn)入空間發(fā)散電流區(qū)域.最后,由于磁疇壁的張力,條形疇在電流發(fā)散區(qū)斷開,進(jìn)而形成一個(gè)斯格明子[38].繼續(xù)施加電流會導(dǎo)致持續(xù)不斷地產(chǎn)生斯格明子.因此,利用合適寬度的脈沖電流,在產(chǎn)生一個(gè)斯格明子之后馬上停止施加電流,是恰好產(chǎn)生一個(gè)斯格明子的關(guān)鍵.我們深入研究了單個(gè)斯格明子產(chǎn)生的概率和驅(qū)動(dòng)電流的脈沖寬度的依賴關(guān)系,如圖11所示,對于具有特定幅值和脈寬的脈沖電流(1 V,100 ms),斯格明子的產(chǎn)生概率達(dá)到最大,因此可以用于產(chǎn)生單個(gè)斯格明子.

在產(chǎn)生單個(gè)斯格明子之后,施加一個(gè)寬度窄、幅值大(8 V,10μs)的脈沖電流能夠驅(qū)動(dòng)斯格明子的移動(dòng).這個(gè)脈沖的寬度短于一個(gè)斯格明子產(chǎn)生所需要的時(shí)間,因此幾乎不能產(chǎn)生新的斯格明子,如圖11所示.這能夠保證在驅(qū)動(dòng)已有斯格明子運(yùn)動(dòng)的同時(shí),沒有產(chǎn)生新的斯格明子.由于用于產(chǎn)生和移動(dòng)斯格明子的脈沖在幅值和脈沖寬度上均具有相對較大的差別,因此兩種操作具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性.通過這種脈沖組合的方式,單個(gè)斯格明子產(chǎn)生和操控得以實(shí)現(xiàn),如圖9所示.在此基礎(chǔ)之上,利用相同原理還能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多個(gè)斯格明子的產(chǎn)生和操控[40],如圖12所示.實(shí)驗(yàn)中,通過施加一組電流脈沖,我們能夠在同一器件中產(chǎn)生和操控七個(gè)斯格明子,實(shí)現(xiàn)了“賽道”存儲器的原理性數(shù)據(jù)寫入.理論上來說,這種方法可以很自然地拓展到產(chǎn)生和操控更多的斯格明子.

圖10 類阻尼自旋軌道力矩驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生條形磁疇的原理藍(lán)色和橙色箭頭表示磁矩方向;由于DM相互作用,邊緣處的磁矩發(fā)生傾斜,形成手性微磁結(jié)構(gòu),類阻尼自旋軌道力矩產(chǎn)生的有效場是H SOT=H SOT(m×σ);紅色箭頭表示作用于邊緣傾斜磁矩的有效場,σ是電流通過自旋霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生的自旋電子的自旋極化方向,其形式為是電子電流方向Fig.10.The generation of stripe domains driven by a current-induced dam ping-like SOT.The blue and orange arrows rep resent the magnetization directions.Due to DMI,the magnetic moments at the edges tilt and form a chiral micromagnetic structure.The effective field due to the SOT is H SO T=H SOT(m×σ).The red arrows rep resent the effective fields on the tilted magnetic moments at the edges.σ is the electron spin direction induced by spin Hall effect in the presence of a current,which is in the form ofand J e is along the electron current flow direction.

圖11 產(chǎn)生單個(gè)斯格明子的概率與驅(qū)動(dòng)電流脈沖寬度的依賴關(guān)系 實(shí)線是利用高斯函數(shù)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合,器件電阻是R=1.414 k?;對于1 V的電壓脈沖,器件收縮區(qū)域中相應(yīng)的電流密度為2.3 MA/cm 2Fig.11.The probability of generating a single skyrmion as a function of applied current pulse duration for different pulse magnitudes.The solid lines are the fitting of Gaussian functions.The resistance of the device is R=1.414 k?.For 1 V pulse,the corresponding current density in the constriction region is 2.3 MA/cm 2.

圖12 通過施加一系列負(fù)方向脈沖電流(包括大小為2 V,寬度5 ms的寫入脈沖電流和大小為8 V,寬度10μs的驅(qū)動(dòng)脈沖電流)在位移存儲器中產(chǎn)生和移動(dòng)多達(dá)七個(gè)斯格明子Fig.12.The generation of up to seven skyrmions in the SKS memory device by using a series of negative write pulses(with a magnitude of 2 V and a duration of 5 ms)and negative shift pulses(with a magnitude of 8 V and a duration of 10μs).

5 總結(jié)與展望

本文簡要介紹了我們最近幾年有關(guān)薄膜中斯格明子的研究進(jìn)展.這些研究為人們提供了產(chǎn)生斯格明子的方法,拓展了斯格明子材料,理解了電流驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過程以及制備了相關(guān)的原理型器件.雖然我們解決了一些材料、物理和器件應(yīng)用原理的問題,但仍有很多問題需要人們來進(jìn)一步解決.首先,目前薄膜體系中觀察到的斯格明子尺寸都比較大(百納米到幾微米),而真正意義上的高密度存儲要求斯格明子的尺寸要小于10 nm,因此如果減小薄膜異質(zhì)結(jié)中斯格明子的尺寸變得極為關(guān)鍵.其次,由于薄膜樣品制備的不均勻和缺陷釘扎等因素的影響,很多實(shí)驗(yàn)中觀察到斯格明子的驅(qū)動(dòng)電流都比較高,并不滿足低能耗的要求.因此,在不斷減小斯格明子尺寸的同時(shí)降低其驅(qū)動(dòng)電流密度也是人們努力的方向.再次,在這個(gè)器件中,斯格明子的探測還是利用光學(xué)手段,如何利用磁性隧道結(jié)實(shí)現(xiàn)電學(xué)探測也是需要解決的問題.顯然,將斯格明子真正應(yīng)用于產(chǎn)品依然面臨著很多的問題.但是,我們已經(jīng)看到,在斯格明子發(fā)現(xiàn)以來的短短幾年時(shí)間里,人們在相關(guān)方面的研究已經(jīng)取得了諸多突破性的進(jìn)展.相信在不久的將來,隨著更多的科學(xué)家投入到斯格明子的研究中來,一定能夠加速推動(dòng)實(shí)現(xiàn)斯格明子的應(yīng)用.