磁斯格明子的可控制备及其超快自旋动力学研究

Magnetic skyrmions are small swirling topological defects in the magnetization texture. Their stabilization and dynamics depend strongly on their topological properties. Skyrmions can be extremely small, with diameters in the nanometre range, and behave as particles that can be moved. The development of skyrmion-based topological spintronics holds promise for applications in the future. Up to data, there are still many challenges. Furthermore, there are no reports regarding the ultrafast spin dynamics of magnetic skyrmions.. In the project, we will grow magnetic thin films and multilayered skyrmions by means of molecular beam epitaxy. We also investigate the effect of crystal structure, electronic structure and spin structure on the ultrafast magneto-optical effect by using time-resolved magneto-optical Kerr effect (TRMOKE), and deep Ultraviolet laser based magnetic circular dichroism spectrometers(DUV-MCD). We will develop a new technique to probe sensistively ultrafast spin dynamics in timescale of 100 fs. Our work will reveal that the ultrashort laser pulse can open a new avenue to engineer the ultrafast spin dynamics and expand the application of ultrafast skyrmion-based topological spintronic devices.

磁斯格明子是具一种有纳米级自旋拓扑结构的准粒子,它具有尺寸小、受拓扑保护、高稳定性和易操控等特点,在构建未来高密度、高速度、低能耗自旋电子学器件等方面具有潜在的应用价值。到目前为止，对于新型磁性材料纳米结构单元的物性了解也还不充分，具有更高精度、更快响应速度的新型磁结构的探测关键技术问题还有待突破等。本项目拟利用分子束外延生长方法，制备具有高临界温度的磁斯格明子薄膜或多层膜;利用深紫外激光磁光与磁圆二色性谱仪与角分辨光电子谱结合，研究磁斯格明子薄膜或多层膜的电子结构和自旋手性螺旋结构;通过时间分辨磁光效应，阐明晶体非中心对称结构、电子结构、DM相互作用和自旋结构对超快自旋动力学的影响,实现在100fs尺度下的超快磁动力学过程探测。发展对电子结构、自旋结构及手性的超快、超灵敏探测的新手段，实现脉冲激光对磁斯格明子自旋排列的调控，为磁斯格明子在超快自旋电子器件的应用提供理论基础。

磁斯格明子是具一种有纳米级自旋拓扑结构的准粒子,它具有尺寸小、受拓扑保护、高稳定性和易操控等特点,在构建未来高密度、高速度、低能耗自旋电子学器件等方面具有潜在的应用价值。到目前为止，对于新型磁性材料纳米结构单元的物性了解也还不充分，具有更高精度、更快响应速度的新型磁结构的探测关键技术问题还有待突破等。本项目利用分子束外延生长方法，制备具有高临界温度的磁斯格明子薄膜或多层膜人工合成FeGe，Fe/FeGe等室温附近磁斯格明子薄膜及其异质结构，利用泵浦-探测时间分辨磁光克尔效应研究了手性磁体FeGe薄膜的超快磁动力学行为。通过改变环境温度、磁场和激光通量，发现FeGe薄膜的超快退磁过程由一步退磁到两步退磁的转变，一步超快退磁大约为300 fs，两步退磁时间在3 ps到25 ps范围内。两步退磁过程主要发生在斯格明子存在的温度区域，与其它存在两步退磁的材料相比，FeGe的两步退磁占据更大的温区。利用微观三温度模型，同时结合瞬态反射率测量结果，确定了FeGe中出现不同退磁行为主要是由弱电声耦合导致的。此外，通过时间分辨磁光效应、深紫外磁圆二色性和角分辨光电子谱，研究了Fe/Bi2Se3拓扑绝缘体，Fe/β-PdBi2拓扑超导体室异质结的自旋—电荷流转换及其超快自旋动力学，发现拓扑表面态的存在不但可以提高自旋流-电荷流的转换效率， 而且可以加快超快退磁过程。发展了对电子结构、自旋手性结构的超快、超灵敏探测的新手段，为开发新一代拓扑自旋电子材料提供了一种新途径。