磁性薄膜纳米结构中斯格明子的电调控研究

Magnetic skyrmion is a spin swirling spin texture with real-space topological protection properties and is expected to provide new opportunities to realize high-density, high-speed, low-power storage and logic devices in the future. This project aims to study in depth the key physical quantities that affect the room-temperature skyrmion in magnetic thin film heterostructures, the current-driven dynamic behavior，and electrical transport properties in nanostructures, further exploring the relevant device application principles. First, the physical quantities that lead to the formation and stability of the skyrmion in the thin film heterostructures will be explored. In particular, we will look for the key factors those affect the size of the skyrmion and expect to further reduce the size of skyrmion; Second, we will prepare antiferromagnet-based skyrmion thin films, which will be used to study the influence of antiferromagnetic order on the formation conditions and stability of the skyrmion. We will also explore the use of an antiferromagnetic exchange bias field to stabilize the zero-magnetic-field skyrmion; Third, we will fabricate nanostructures and explore the current-driven generation and annihilation mechanism as well as dynamic; Finally, we will study the electrical transport properties and detection of skyrmion in the nanostructures and further explore one or two application principles, aiming to lay the foundation of physics for potential applications.

磁性斯格明子是一种具有实空间拓扑保护属性的自旋结构，有望构建未来高密度、高速度、低功耗的自旋存储和逻辑器件。该项目拟深入研究室温磁性薄膜异质结中小尺寸斯格明子的稳定性、纳米结构中电流驱动下的动力学行为和电输运特性，并进一步地探讨相关的器件原理问题。首先，探究薄膜异质结中影响斯格明子形成和稳定的物理量、决定斯格明子尺寸的关键物理因素，进而通过关键因素的调制减小斯格明子的最小稳定尺寸；其次，优化制备基于反铁磁的斯格明子薄膜材料，研究反铁磁序对斯格明子稳定性的影响，探索在零外磁场下利用反铁磁交换偏置场来稳定斯格明子的物理机制；再次，利用微纳加工手段制备纳米结构，探索电流驱动的斯格明子的产生和湮灭机制、动力学过程等；最后，进一步研究斯格明子纳米结构的电输运特性，研究利用电学方法探测斯格明子，并探索一两种可应用的斯格明子相关器件原理，为斯格明子的潜在应用奠定物理基础。

磁斯格明子是一种具有实空间拓扑保护属性的自旋结构，有望构建未来高密度、高速度、低功耗的自旋存储和逻辑器件。在该项目基金的资助下，项目组按照研究计划，首先成功的制备了小于100 nm的斯格明子材料并利用先进的X射成像和散射技术对斯格明子进行了高空间分辨表征，实验上成功的证明了多层膜中的斯格明子具有三维结构。其次，通过X射线辐照或者电子束曝光，改变多层膜中的交换偏置并诱导产生了零外磁场稳定的斯格明子；基于局域的交换偏置场的调控设计了对斯格明子位移操纵的虚拟器件，实现零电流下定位磁斯格明子，并显著提高了斯格明子的运动速度。再次，通过结构的不对称性可以实现了椭圆形斯格明子；在CoTb合金中观测到了演生磁单极以及通过磁性多层膜跟手性B20体系耦合实验上实现了磁浮子；利用微磁学模拟实现了基于斯格明子的16种布尔逻辑器件。最后通过同时对磁织构成像和MTJ电阻的电测量，成功地识别了单个斯格明子的电响应。通过该项目的实施，成功的实现了百纳米斯格明子的产生、零场稳定、三维磁结构表征、器件设计及电学探测，为今后发展基于斯格明子的新型存储器件提供了材料和物理基础。 2019-2022年期间，项目组发表了致谢该基金号并包含相关重点研究内容的SCI论文33篇，获得中国发明专利授权1项，有国际会议特邀报告7人次，国内邀请报告30人次，培养博士毕业生7名。培养外籍博士毕业生1名。项目组按预定计划圆满的完成了该项目计划研究内容和预期研究目标。