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南开团队在二维拓扑磁性材料及其超快调控领域取得重要进展
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2024-02-07 21:29

  南开新闻网讯 近日,南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室付学文教授团队与华南师范大学侯志鹏教授团队、美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授团队等开展合作,报道了室温二维磁性材料Fe3-xGaTe2中跨室温、高密度的奈尔型磁斯格明子,并展示了该样品中磁电输运的拓扑霍尔效应、以及单发飞秒激光的拓扑磁畴写入等新奇物理现象,为设计开发低功耗、高密度的二维拓扑磁电功能器件提供了新材料与新机制。该研究2月3日以Room-temperature sub-100nm Néel-type skyrmions in non-stoichiometric van der Waals ferromagnet Fe3-xGaTe2 with ultrafast laser writability为题,发表于重要国际学术期刊Nature Communications。

  磁斯格明子是一种具有拓扑保护的涡旋状自旋排布,具有小尺寸、高稳定的准粒子特性,以及对磁、电、光、热等多物理场灵敏响应的可调控性,被认为是理想的新一代逻辑信息载体,在赛道储存器、磁性隧道结、自旋纳米振荡器、类脑计算等领域具有广阔的应用前景。在理论图像中,Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DM)使近邻自旋非共线排列,是磁斯格明子的形成的重要物理机制。由于获得DM相互作用,需要满足特定对称性破缺的晶体结构,传统磁斯格明子材料体系主要集中在天然中心对称性破缺的手性磁体MnSi、Cu2OSeO3,以及镜面反演对称性破缺的磁性金属异质多层膜Ta/CoFeB/TaOx等三维材料体系中。尽管范德华磁性二维材料体系因其独特性质,在磁学与自旋电子学领域备受关注,但是多数磁性二维材料空间反演对称的晶体结构,限制了实现本征DM相互作用的可能性,从而限制了其在拓扑磁性等方面的应用。因此,如何在磁性二维材料中引入DM相互作用,实现小尺寸的奈尔型磁斯格明子,并探索其室温调控与应用的潜能,是当今材料科学、凝聚态物理、乃至信息技术领域的前沿热点课题。

  图 1 (a)正分Fe3GaTe2与偏分Fe3-xGaTe2样品晶体结构示意图。(b)偏分Fe3-xGaTe2样品球差电镜原子像。(c)偏分Fe3-xGaTe2样品结构对称性破缺引起的强DM相互作用。(d)洛伦兹电镜下观察到的奈尔型磁斯格明子。

  研究团队在室温铁磁二维材料Fe3GaTe2的基础上(P63/mmc空间群,空间反演对称),通过Fei原子非对称空位调控,成功引入Feii原子偏移导致的镜面反演对称性破缺(图1a)。结构分析表明(图1b),偏分Fe3-xGaTe2样品的空间群为P3m1,具备实现强面内DMI的结构条件(图1c)。磁电输运的测量发现该样品存在显著的拓扑霍尔效应,可能与非共线的磁结构有关。进一步的洛伦兹电镜的场冷实验,发现该样品中确实存在小尺寸、高密度的奈尔型磁斯格明子,其稳定存在的温度可高达约330K,极限厚度可薄至约40nm,其优越的室温性能为构建二维拓扑磁电功能器件提供了理想的材料平台。

  图 2(a)原位激光泵浦的洛伦兹电镜示意图。(b)原位单发飞秒脉冲激光实现磁斯格明子写入过程。

  为了进一步展示该样品在室温超快调控与应用上可能性,研究团队基于自主设计搭建的4D超快洛伦兹透射电镜(图2a),原位研究了飞秒激光脉冲对拓扑磁结构转变的超快调控过程(图2b),实现了飞秒激光脉冲可控写入条纹畴、磁单畴、磁斯格明子等磁结构的原位可视化测量,并结合微磁动力学模拟揭示了飞秒激光诱导拓扑磁转变的内在物理机制。区别于传统的准静态连续场冷、电流焦耳热效应等磁斯格明子写入方式,飞秒激光脉冲具有能耗低、可局域聚焦、速度快等优势,为实现拓扑磁畴的高效写入提供了一种新方式,对新型拓扑磁斯格明子信息存储器件的设计开发具有重要意义。

  南开大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位。南开大学博士后李泽方、华南师范大学博士生张怀、广东工业大学讲师李冠祺为该论文共同第一作者,华南师范大学侯志鹏教授、美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授、南开大学付学文教授为共同通讯作者。该研究得到了国家科技部、国家自然科学基金委、天津市科技局、中央高校基础研究经费等的大力支持。(物理科学学院供稿)

  文章链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-45310-2

编辑:刘畅

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