人工斯格明子的拓扑霍尔效应研究

Magnetic skyrmion is a two dimensional swirling spin texture of finite size, its topological non-trivial spin texture leads to many quasi-particle like behaviors under electric field and magnetic field. Thanks to its high movability and stability under electric current, magnetic skyrmion is proposed to play a key role in the next-generation information storage technologies. Right after the discovery of magnetic skyrmion in experiment, Topological Hall Effect (THE) was also discovered experimentally. THE is the characteristics of topological spin texture, thus distinguishes magnetic skyrmion from other topological trivial spin texture. However, THE is always mixed with ordinary Hall effect and anomalous Hall effect in all kinds of magnetic materials with chiral spin order. Consequently, the measurements and analysis of THE inevitably depend on the theory of anomalous Hall effect in various chiral magnetic materials, which is an abstruse issue and still in controversy. Direct access of THE signal has been desired for one decade after the discovery of magnetic skyrmion. We propose that THE could be revealed directly in artificial magnetic skyrmion. Taking the advantage of amenable topological spin texture of artificial magnetic skyrmion, THE could be distinguished from ordinary Hall effect and anomalous Hall effect experimentally, and the first direct measurement of THE is accessible in artificial magnetic skyrmion.

磁性斯格明子是一种有限尺寸的二维环绕自旋结构，其自旋结构具有拓扑非平庸的性质，可以在电场和磁场下展现出许多准粒子的行为。由于在电流驱动下具有很高的移动性和稳定性，磁性斯格明子有望在下一代信息存储技术中发挥关键作用。在实验中发现磁性斯格明子后，随即在实验中发现了拓扑霍尔效应。拓扑霍尔效应是拓扑自旋结构所具有的特征性质。然而，在目前所研究的大部分磁性斯格明子材料中，拓扑霍尔效应总是伴随霍尔效应和反常霍尔效应一起出现。拓扑霍尔效应的测量极度依赖于反常霍尔效应的理论模型，而后者的理论一直以来都有很大的争议。在实验发现磁性斯格明子近十年以来，人们一直期望可以直接测量拓扑霍尔效应。本项目申请提出，提出利用人工斯格明子作为实验载体，直接研究磁性斯格明子的拓扑霍尔效应。人工斯格明子的拓扑自旋结构可以实现便捷的调控，可以将拓扑霍尔效应与其他霍尔效应区分开来，实现拓扑霍尔效应的针对性测量。

磁性材料中的拓扑物性是近年来广受关注的研究热点，所涉及的拓扑现象既可以是来源于实空间中的拓扑磁结构（例如磁性斯格明子），也可以是来源于具有拓扑特性的自旋激发态（例如手性磁振子）。本项目首先着力于研究实空间中的拓扑磁结构。以磁性斯格明子为例，通过实验表征，探索包括拓扑霍尔效应在内的众多拓扑现象，探究拓扑物性与磁结构之间的内在关联。此外，本项目还将拓扑物性的研究拓展至自旋激发态，通过输运测量研究了手性磁振子对自旋输运性质的影响。通过高分辨实空间磁成像实验与输运测量实验相结合，获得了一系列研究成果。在项目研究中，设计并制备了一种新型人工亚铁磁材料，基于这一新型人工亚铁磁材料，成功实现了磁振子手性的调控与同步探测，揭示了磁振子手性是一种本征的独立自由度。通过EELS和EDS测量直接研究了YIG/Pt异质结界面的磁性，发现YIG/Pt异质结界面存在金属Fe向Pt的扩散，界面上金属Fe的磁矩决定了该体系界面的自旋转移效率。提出了一种新的定量测量磁阻尼因子的实验方法。通过这项工作，首次实现了磁阻尼因子本征与非本征贡献的定量测量。相关的研究成果极大拓展了自旋电子学的研究内容，为基于拓扑的自旋电子学研究铺平了道路，预示着手性磁振子在计算与器件中的应用成为可能。