[論文レビュー] Dynamics of Polar Skyrmion Bubbles under Electric Fields

Ruixue Zhu, Zhexin Jiang+19 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、in situ透過電子顕微鏡を用いて酸化物スーパラティスにおける個々の極性スカイム粒子バブルの電場駆動制御を実証し、位相的および自明な極性状態の間で可逆的相転移を明らかにした。著者らは、ナノスケールのスカイム粒子の作成、消去、拡大、収縮といった動的制御を達成し、磁気的スカイム粒子とは異なる相転移ダイナミクスを明らかにした。これにより、ナノエレクトロニクスへの応用に向けた原子スケールの知見が得られた。

ABSTRACT

Room-temperature polar skyrmion bubbles that are recently found in oxide superlattice, have received enormous interests for their potential applications in nanoelectronics due to the nanometer size, emergent chirality, and negative capacitance. For practical applications, the ability to controllably manipulate them by using external stimuli is prerequisite. Here, we study the dynamics of individual polar skyrmion bubbles at the nanoscale by using in situ biasing in a scanning transmission electron microscope. The reversible electric field-driven phase transition between topological and trivial polar states are demonstrated. We create, erase and monitor the shrinkage and expansion of individual polar skyrmions. We find that their transition behaviors are substantially different from that of magnetic analogue. The underlying mechanism is discussed by combing with the phase-field simulations. The controllable manipulation of nanoscale polar skyrmions allows us to tune the dielectric permittivity at atomic scale and detailed knowledge of their phase transition behaviors provides fundamentals for their applications in nanoelectronics.

研究の動機と目的

• 外部電場に対する個々の極性スカイム粒子バブルのナノスケールでの動的応答を調査すること。
• 電場誘起相転移を通じてスカイム粒子の制御的操作を可能にすること。
• 極性スカイム粒子とその磁気的同等物との間の相転移ダイナミクスの根本的差異を理解すること。
• 将来のナノエレクトロニクス素子設計に向けた相転移メカニズムの原子スケールの知見を提供すること。
• 酸化物ヘテロ構造におけるスカイム粒子工学による誘電率のチューニングの基盤を確立すること。

提案手法

• 局所的電場を印加するために、走査型透過電子顕微鏡（STEM）内でのin situバイアスを採用した。
• 個々のスカイム粒子バブルの構造的および分極状態の変化をリアルタイムでモニタリングするために、高分解能STEM像を用いた。
• 観察された相転移ダイナミクスをモデル化・解釈するために、フェーズフィールドシミュレーションを実施した。
• 電圧パルスを印加して、位相的スカイム粒子状態と自明な極性状態との間で可逆的相転移を誘発した。
• 電場調制下でのスカイム粒子のサイズおよび形状の変化を追跡した。
• 実験的観察をシミュレートされた相図と照合することで、背後にあるメカニズムを解明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々の極性スカイム粒子バブルは、印加電場に対してどのように動的に応答するか？
• RQ2 位相的スカイム粒子状態と自明な極性状態との間の可逆的相転移を支配するメカニズムは何か？
• RQ3 電場刺激下における極性スカイム粒子のダイナミクスは、磁気的スカイム粒子とどのように異なるか？
• RQ4 電場を用いて個々のスカイム粒子を制御的に作成、拡大、収縮、または消去できるか？
• RQ5 局所的分極および歪みが、観察された相転移を媒介する役割を果たすか？

主な発見

• 電場により、個々の極性スカイム粒子バブルで位相的スカイム粒子状態と自明な極性状態との間で可逆的スイッチングが可能となった。
• 著者らは、電圧パルスを用いて、個々のスカイム粒子の作成、消去、およびサイズの動的制御に成功した。
• 電場制御下で、スカイム粒子の収縮と拡大が、それぞれ異なる核生成および消失プロセスを経て進行することが観察された。
• 極性スカイム粒子の相転移ダイナミクスは、磁気的スカイム粒子と顕著に異なり、異なる背後メカニズムを示唆している。
• フェーズフィールドシミュレーションにより、観察された挙動が分極、歪み、および電場勾配の相乗作用に起因することが確認された。
• 本研究では、制御されたスカイム粒子操作による誘電率の原子スケールでのチューニングを実証し、将来的なナノエレクトロニクス応用の可能性を示した。