过渡金属氧化物薄膜中拓扑自旋结构的多场调控

Magnetic skyrmions have attracted enormous attention for both fundamental researches and technological applications due to their intriguing properties and unique features, such as topologically non-trivial spin textures, small size and easily driven by the external field. The modification of material parameters, including crystalline symmetry, spin-orbit interactions, magnetic interactions and so on, will change the properties of magnetic skyrmions. The search and design of materials are essential to explore the modulation of magnetic skyrmions. Thanks to the coupling of degrees of freedom (charge, spin, orbital, lattice), which leads to the sensitivity of properties to the external stimuli, transition metal oxides characterized by strong correlations will be excellent candidates for regulation of magnetic skyrmions. Moreover, topology along with four degrees of freedom merge and create new phenomena. In this project, we explore the magnetic skyrmions in transition metal oxide films and heterostructures, especially manipulate their properties by external fields (electric field, magnetic field, light or strain), which is attributed to the development of topological electronics and the new generation of high performance devices.

磁性斯格明子因其具有拓扑非平庸的自旋结构、尺寸小、易被外场驱动等特点使得其无论是在基础研究还是功能应用方面都引起广泛的关注。如何实现对磁性斯格明子的稳定调控一直是研究的主要目标之一。由于磁性斯格明子通常与材料参数（如晶体对称性、自旋轨道耦合、磁相互作用等）密切相关，材料参数的变化通常会对其产生调制作用，寻找和设计相关材料至关重要。其中，强关联的过渡金属氧化物因其多种自由度（电荷、自旋、轨道和晶格）的强耦合，使得其物性对外界响应会非常敏感，因此其在研究和调控磁性斯格明子方面具有很好的优势。同时，拓扑这一自由度的关联融合也赋予过渡金属氧化物全新物性和功能性。基于此，本项目将以过渡金属氧化物薄膜或异质结为研究材料体系，构建和探测其中的磁性斯格明子，着重利用外场（电场、磁场、光、力等）对磁性斯格明子进行调控，其结果将有利于为拓扑电子学及新一代高性能量子器件的发展。

拓扑类自旋结构，如斯格明子因其独特功能性使得在基础研究和潜在应用都具有重要意义。如何在过渡金属氧化物中构筑具有拓扑类自旋结构和拓扑霍尔效应的体系及实现对其多场调控具有重要的科学意义。本项目研究内容主要为在过渡金属氧化物体系构筑和利用外场调控拓扑自旋结构及其关联的拓扑霍尔效应。利用场控质子化和应力两种调控手段探索过渡金属钌氧化物SrRuO3和CaRuO3薄膜体系磁态演变及过程中可能出现的拓扑霍尔效应。对于磁性金属SrRuO3薄膜，利用场控质子化实现电压可控的铁磁金属到顺磁金属相变。并且利用质子浓度梯度成功实现体系空间反演对称性破缺，在磁相变过程中发现拓扑霍尔效应，该拓扑霍尔效应可以用电压及时间控制，并且在较大温度和磁场区间稳定存在。对于CaRuO3体系，虽然没有看到拓扑霍尔效应，但利用场控质子化实现顺磁金属到铁磁金属的转变，并且观测到非费米液体到费米液体相变。此外，还利用外延应力实现SrRuO3薄膜中反常霍尔效应的调制，在合适张应力薄膜上发现非常规的霍尔效应，其本质是由于磁化方向偏调制贝里曲率。系列工作提供了一个很好的方法实现材料体系空间反演对称破缺及发现拓扑霍尔效应。