[論文レビュー] Emergence of robust 2D skyrmions in SrRuO3 ultrathin film without the capping layer

Byungmin Sohn, Bongju Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2018

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Ru-O面のひずみに起因する内部的界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）によって、重金属キャピング層を用いない超薄膜SrRuO3（SRO）膜において、安定な2次元スカイミオンが実現されることを示した。スカイミオンは、10 Kで1.57 Tの臨界磁場を示し、85°までの磁場傾きに対しても持続する極めて高い安定性を示しており、第一原理計算によって確認された強い磁気異方性に起因する。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions have fast evolved from a novelty, as a realization of topologically protected structure with particle-like character, into a promising platform for new types of magnetic storage. Significant engineering progress was achieved with the synthesis of compounds hosting room-temperature skyrmions in magnetic heterostructures, with the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interactions (DMI) conducive to the skyrmion formation. Here we report findings of ultrathin skyrmion formation in a few layers of SrRuO3 grown on SrTiO3 substrate without the heavy-metal capping layer. Measurement of the topological Hall effect (THE) reveals a robust stability of skyrmions in this platform, judging from the high value of the critical field 1.57 Tesla (T) at low temperature. THE survives as the field is tilted by as much as 85 degrees at 10 Kelvin, with the in-plane magnetic field reaching up to 6.5 T. Coherent Bragg Rod Analysis, or COBRA for short, on the same film proves the rumpling of the Ru-O plane to be the source of inversion symmetry breaking and DMI. First-principles calculations based on the structure obtained from COBRA find significant magnetic anisotropy in the SrRuO3 film to be the main source of skyrmion robustness. These features promise a few-layer SRO to be an important new platform for skyrmionics, without the necessity of introducing the capping layer to boost the spin-orbit coupling strength artificially.

研究の動機と目的

• 重金属キャピング層を用いない超薄膜SrRuO3膜におけるスカイミオン形成を調査すること。
• 人工的なスピンオービット結合強化を介さない状況下での、強固なスカイミオン安定性の起源を特定すること。
• 構造的非対称性および磁気異方性がトポロジカル保護されたスカイミオンを可能にする役割を特定すること。
• SrRuO3をキャピングフリーなスカイミオンイクスの実用的基盤として確立すること。

提案手法

• 変動磁場下におけるスカイミオン形成および安定性を調べるため、トポロジカルホール効果（THE）を測定した。
• 具体的には、Ru-O面のひずみを検出するため、コherentブレッグロッド解析（COBRA）を適用した。
• COBRAから得られた結晶構造に基づく第一原理的電子状態計算により、磁気異方性およびDMI強度を評価した。
• 磁場方向の系統的変化（最大85°の傾き）を用いて、スカイミオンの耐性をテストした。
• SrTiO3基板を用いて、キャピング層なしで界面対称性の破れとDMIを誘導した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重金属キャピング層を用いない超薄膜SrRuO3膜において、強固な2次元スカイミオンが形成可能か？
• RQ2 キャピングフリーなSRO膜におけるDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）の構造的および電子的起源は何か？
• RQ3 外部のスピンオービットチューニングなしで、内部的磁気異方性がスカイミオン安定性にどのように寄与するか？
• RQ4 このプラットフォームでは、スカイミオンがどの程度まで傾いた磁場下でも持続可能か？

主な発見

• 数層のSrRuO3におけるスカイミオンは、10 Kで1.57 Tの高い臨界磁場を示し、強いトポロジカル保護を示している。
• 磁場が85°まで傾いてもトポロジカルホール効果が持続し、面内磁場で最大6.5 Tまで安定に観測された。これは極めて高い耐性を示している。
• COBRA解析により、Ru-O面のひずみが界面対称性の破れおよびDMIの原因であることが確認された。
• 第一原理計算により、SrRuO3膜に顕著な磁気異方性が存在することが判明し、これがスカイミオン安定性の主因である。
• キャピング層が存在しない状況でもスカイミオンの安定性が損なわれず、SROがキャピングフリーなスカイミオンイクスの実用的基盤として成立することが示された。