磁各向异性对二维人工室温斯格米子（skyrmions）的拓扑性质调制及其机理研究

The skyrmion ground state could be produced when the Dzyaloshinsky-Moriya (DM) interaction equal to the energy competition effect from three energy that are magnetic anisotropy energy, demagnetized energy and Heisenberg interaction energy respectively. Under this proposal, we try to prepare the artificial skyrmion by using molecular beam epitaxy technique to prepare magnetic multiplayer system with out-of-plane magnetization and vortex, and the multiplayer system with different nanopatterns. The critical thickness and size range for the existence of skyrmion will be investigated. The influences on the production, stabilization, and topological properties of the artificial skyrmion will be investigated by modulating magnetic anisotropy of the magnetic film through changing the atomic step intensity of the substrate, the roughness and stress on the interface between the film and substrate. In further, we will investigate the correlation between the anisotropy and the dynamics behavior of skyrmion under different fields, such as a static magnetic field, an impulse magnetic field, an electric field and an electromagnetic field. The micromagnetic simulation will be also executed to be used to compare with the experimental results which will help to construct the phenomenological model. We hope that the present proposal could help to deeply understand the essence of skyrmion and supply the experimental and theoretical guide for its application in the future intelligent material industry.

利用磁各向异性能、退磁能、海森堡相互作用能的相互竞争可替代DM相互作用，导致斯格米子（skyrmion）基态自发产生的思想，以具有面外磁化背景与磁涡旋组合的单晶多层膜，具有不同纳米构型的单晶多层膜为基础，采用分子束外延技术与纳米加工技术制备室温下人工skyrmion，确定室温下skyrmion稳定存在的薄膜厚度与尺寸范围。通过引入原子台阶、界面粗糙度与界面应力等结构因素调制所制备磁性薄膜的磁各向异性。深入研究磁各向异性变化对skyrmion的产生、稳定性、拓扑性质的影响规律。进一步深入研究引入磁场、电场以及电磁场等条件下，磁各向异性变化对skyrmion动力学行为的影响规律。通过比较实验结果与微磁学模拟结果，从能量竞争平衡的角度，建立描述skyrmion运动的唯象模型，揭示磁各向异性调制skyrmion拓扑性质的物理机理，为skyrmion实现人工可控，最终走向应用提供理论与实验指导。

随着信息技术快速发展，拓扑学与材料科学结合越来越紧密，特别是与磁学和电学相互融合，发展出拓扑磁学与拓扑电学，其中斯格明子(skyrmion)作为未来新一代信息存储单元，可以利用磁场与电流驱动其产生、湮灭或运动从而开发新型高密度且低能耗信息记录单元，引领信息记录领域的深入发展，因此成为当前的研究热点。本项目正是在此背景下，以面外磁各向异性与面内磁涡旋组合的单晶多层膜为基础，以分子束外延与纳米加工技术为手段，深入研究室温人工斯格明子制备。通过引入不同类型的单晶基片，利用人工倾斜角技术，实现了在单晶基片上引入原子台阶与界面粗糙度，在此基片上生长面外磁化背景与面内磁涡旋的各类单晶薄膜组合制备了人工斯格明子。深入研究了结构因素对调制磁性薄膜的磁各向异性的影响规律，进而研究磁各向异性对斯格明子拓扑性质的影响规律。以此为基础，利用分子束外延技术生长拓扑晶体绝缘体单晶薄膜及异质结，研究了结构因素对其能带拓扑性质与宏观电磁输运的影响规律，综合上述研究内容为磁场与电流驱动斯格明子奠定重要实验基础。通过研究发现，Cu(001)是制备斯格明子的最佳金属基片，在此单晶基片上的磁性薄膜厚度对面外与面内磁各向异性方向转变具有关键性影响，成为决定了斯格明子产生与湮灭的关键因素。结合磁晶各向异性，发现在不同类型多层单晶薄膜内的斯格明子，其稳定性也决定于临界磁场。通过结构因素可以调控拓扑晶体绝缘体薄膜及其异质结的拓扑相变与宏观磁电输运特性，得到巨线性磁电阻与超高迁移率，为驱动斯格明子运动提供电流来源。在上述发现的基础上，得到6度倾斜角的Cu(001)基片，具有最佳原子台阶密度，产生斯格明子的面外磁性单层临界厚度为40ML，面内磁涡旋纳米盘为最佳纳米构型，临界直径为1μm，斯格明子的拓扑数保持N=1或N=-1的临界磁场为100Oe。也发现表面态电流可诱导最大线性磁电阻2150%，其最高迁移率达到3×10E4cm2/(V s)。通过本项目的研究，为人工斯格明子可控，最终走向应用提供理论与实验指导。