[論文レビュー] Imaging the Spin Texture of a Skyrmion Under Ambient Conditions Using an Atomic-Sized Sensor

Yuliya Dovzhenko, Francesco Casola+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、常温・大気中条件下でPt/Co/Taマルチレイヤーにおける磁気スカイミオンの完全な三次元スピン構造を再構成するために、ダイヤモンド中の窒素空孔（NV）中心を原子スケールの磁気センサーとして用いた。予想に反し、スカイミオンのドメイン境界はDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）が左回りであるにもかかわらず右回りのヘリシティを示しており、DMIと外部磁場の競合によって膜厚方向に回転するヘリシティを有するチューブ状のスピン構造であることが示唆された。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are two-dimensional non-collinear spin textures characterised by an integer topological number. They commonly crystallise at low temperatures in bulk noncentrosymmetric ferromagnets where the lack of inversion symmetry leads to an antisymmetric component of the exchange interaction. Recently, stable room-temperature skyrmions were reported in stacks of thin magnetic films where antisymmetric exchange results from broken symmetry at the interface. Determining the spin structure of these technologically-relevant skyrmions in the presence of external magnetic fields has remained a key experimental challenge. Here, we use the single electron spin of a Nitrogen-Vacancy (NV) centre in diamond to perform scanning magnetometry of skyrmions in Pt/Co/Ta multilayers under ambient conditions. We introduce a novel method to assess the manifold of spin textures compatible with the measured local magnetic fields and identify physically allowed configurations based on the topology of the resulting solution. We determine that the underlying magnetization pattern for the skyrmion is consistent with a cycloid (or Néel)-like spin texture, in agreement with theoretical predictions for interfacial antisymmetric exchange interaction. Our results open up wide-ranging possibilities in quantitative model-free imaging of two-dimensional spin structures using scanning NV magnetometry.

研究の動機と目的

• 常温・大気中条件下でのマルチレイヤーシステムにおける磁気スカイミオンの完全な三次元スピン構造をイメージングすること。
• Pt/Co/Taマルチレイヤーにおいて予測される左回りのDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）と観測されたスカイミオンヘリシティの不一致を解明すること。
• 逆問題としての不十分な制約を考慮し、外部磁場測定からの磁化構造を再構成するための堅牢な手法を開発すること。
• 外部磁場相互作用とDMIが、膜厚方向に非一様なヘリシティを示すスカイミオンを安定化させる役割を調査すること。
• 従来のイメージング技術では得られない、定量的で微視的なスカイミオンスピン構造の特徴付けを提供すること。

提案手法

• サンプル上部の垂直成分の磁気外部磁場を測定するために、ダイヤモンド中の単一の窒素空孔（NV）中心をナノスケールの磁気センサーとして用いた。
• マイクロ波制御とNVスピン状態の光学的検出を用い、NV軸に沿った磁場成分を100 nm未塔の空間分解能でマッピングした。
• ヘリシティごとに解を分類し、エネルギー的連続性を用いて物理的に不適切な構成を除外するデータ再構成フレームワークを開発した。
• 再構成において層ごとのヘリシティを許容できる有効なゲージ固定法を適用し、膜厚方向でヘリシティが変化するNéel型ドメイン境界のモデル化を可能にした。
• 実験的測定と3次元ミクロ磁気シミュレーションを組み合わせ、観測されたスピン構造の妥当性を検証し、DMIおよび外部磁場の影響を評価した。
• DMI強度がスカイミオンヘリシティに与える影響を調査するために、1 nm厚の10層の磁性層（各層間7 nmの非磁性スパーサーを挟む）を想定した有効媒体モデルを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 常温・大気中条件下におけるPt/Co/Taマルチレイヤー内の磁気スカイミオンの真の三次元スピン構造は何か？
• RQ2 本材料系において予測される左回りのDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）とは対照的に、スカイミオンのドメイン境界のヘリシティが右回りである理由は何か？
• RQ3 外部磁場相互作用とDMIは、膜厚方向にどのように競合し、スカイミオンのヘリシティに影響を及ぼすか？
• RQ4 NV中心磁気測定は、PEEMなどの従来の表面感受性技術では区別できない非一様なスピン構造を解像できるか？
• RQ5 フラックスクロージャー領域が存在する場合、安定化に必要な磁場とDMI強度との間の定量的関係は何か？

主な発見

• スカイミオンのドメイン境界は、材料系におけるDMIが左回りであるにもかかわらず、右回りのヘリシティを示しており、非一様なスピン構造であることを示唆している。
• 観測されたスピン構造は、DMIと外部磁場の競合によって駆動され、膜厚方向に一様に回転するヘリシティを有するチューブ状のスカイミオンとして最も適切に説明できる。
• ミクロ磁気シミュレーションにより、DMI値が1 mJ/m²未満の場合、最上層では右回りヘリシティを示し、深層に近づくにつれて左回りヘリシティに遷移することが確認された。
• ヘリシティが右から左に切り替わる層はDMI強度に依存しており、より高いDMIでは全層にわたり一様な左回りヘリシティが安定化する。
• 均一な磁化を仮定すると、安定化磁場が誤解される。ゼロのDMIにおける26 mTの磁場は、このような仮定下では約0.5 mJ/m²に相当し、体積外部磁場効果の重要性が浮き彫りになった。
• NV磁気測定と提案された再構成手法を組み合わせることで、表面層の磁化が同一に見える場合でも、異なるスピン構造を明確に区別できるようになった。