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QUICK REVIEW

[論文レビュー] Thickness-Driven Control of Room Temperature Ferrimagnetic Skyrmions and their Topological Hall signature in GdFe Single Layers

Saroj Kumar Mishra, Y. K. Takahashi|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2026
Magnetic properties of thin films被引用数 0
ひとこと要約

この研究は、単一層の GdFe 薄膜における室温フェリ磁性スキルモンを示し、そのサイズと密度が薄膜厚さで調整可能であることを示し、磁気ホールの特徴は MFM イメージングとマイクロ磁気シミュレーションによって裏付けられる。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are nanoscale, topologically protected spin textures with exceptional potential for high density data storage and energy efficient computing. Among various skyrmion hosting systems, rare earth transition metal ferrimagnets offer a promising platform due to their tunable magnetic properties and intrinsically low net magnetization. Despite this, the fundamental control of ferrimagnetic skyrmions in single layer films remains unexplored. Here, we demonstrate a viable route for engineering room temperature skyrmions in GdFe single layers through precise control of film thickness (60 to 80 nm). Thickness variation enables the systematic tuning of key magnetic parameters, including perpendicular magnetic anisotropy and saturation magnetization, thereby allowing precise control over skyrmion size and density. Magnetic force microscopy (MFM) reveals a clear thickness dependent evolution of isolated skyrmion characteristics, where skyrmion size decreases while skyrmion density increases with increasing GdFe film thickness, in agreement with micromagnetic simulations. At the same time, magnetotransport measurements show a systematic enhancement in the topological Hall resistivity with thickness, further corroborating the increased skyrmion density observed in MFM. Scanning transmission electron microscopy reveals a compositional gradient across the film thickness, indicative of structural asymmetry and potential inversion symmetry breaking, contributing to the emergence of a bulk Dzyaloshinskii Moriya interaction. Notably, sub 60nm skyrmions with high areal density are stabilized at room temperature. This work provides a viable route to tailor the properties of ferrimagnetic skyrmions in single-layer GdFe films, paving the way for the development of high-density ferrimagnetic skyrmionic devices.

研究の動機と目的

  • 室温での単一層 GdFe 薄膜にフェリ磁性スキルモンを安定化させることができるかを調査する。
  • 薄膜厚さが磁気パラメータとスキルモン特性（サイズ、密度）をどのように変調するかを探る。
  • スキルモンに関連するトップロジカルホール信号を同定し、それを実空間像と結びつける。
  • 非晶質 GdFe 層における構造的反転対称性とバルク DMI が生じ、スキルモン安定化に寄与するかを評価する。

提案手法

  • 電子ビーム蒸着による厚さ 60, 70, 80 nm の GdFe 単層膜を作製する。
  • SQUID 磁化測定により Ms、Ku、hk を抽出する。
  • 磁気力顕微鏡（MFM）を用いてスキルモンとその場の変化を検出する。
  • 磁気輸送データから通常のホール寄与と異常ホール寄与を分離してトップロジカル Hall 抵抗率 Δρxy(H) を測定する。
  • 深さ分解 STEM–EDS により組成勾配と潜在的なバルク DMI を特定する。
  • 実験パラメータを用いて Mumax3 によるマイクロ磁気シミュレーションを実施し、ドメイン進化をモデル化し、場の関数として平均スキルモン数 <Qsk> を計算する。
  • 実験のスキルモンのサイズ/密度をシミュレーションと比較して厚さ駆動制御を検証する。
Figure 1: In-plane and out-of-plane magnetization hysteresis loops for GdFe films with thicknesses of (a) 60 nm, (b) 70 nm, and (c) 80 nm. (d) Extracted anisotropy field ( $H_{k}$ ) and uniaxial magnetic anisotropy ( $k_{u}$ ) as a function of film thickness.
Figure 1: In-plane and out-of-plane magnetization hysteresis loops for GdFe films with thicknesses of (a) 60 nm, (b) 70 nm, and (c) 80 nm. (d) Extracted anisotropy field ( $H_{k}$ ) and uniaxial magnetic anisotropy ( $k_{u}$ ) as a function of film thickness.

実験結果

リサーチクエスチョン

  • RQ1単一層 GdFe 薄膜で室温のフェリ磁性スキルモンを安定化できるか。
  • RQ2GdFe で薄膜厚さを増すとスキルモンのサイズと密度にどのような影響があるか。
  • RQ3これらの薄膜におけるトップロジカルホール効果と実空間スキルモン・テクスチャの関係はどうなるか。
  • RQ4 amorphous GdFe において組成勾配からバルク DMI が生じ、マルチレイヤなしでスキルモンを安定化させるか。
  • RQ5厚さ依存の DMI を用いたマイクロ磁気シミュレーションは実験的な厚さ依存性とトップロジカル Hall 信号を裏付けるか。

主な発見

  • RT で GdFe 単層にスキルモンが形成され、厚さ（60→80 nm）に伴いサイズが小さくなり密度が増加する。
  • トップロジカルホール抵抗率 Δρxy は厚さとともに増加し、MFM で観測されるスキルモン密度の増加と相関する（60 nm で Δρxy ≈ 0.36 μΩ・cm、70 nm で ≈ 0.73 μΩ・cm、80 nm で ≈ 1.18 μΩ・cm）。
  • MFM は場が増加するにつれて迷路状/バブル状の領域から孤立したスキルモンへと変化することを示し、観測された二重ピーク Δρxy 効果は正負のコア極性を持つ2つのスキルモン相を反映する。
  • STEM–EDS は膜厚に沿った組成勾配を示し、構造的反転対称性を生じ、スキルモンを安定化させるバルク DMI に寄与する。
  • 厚さ依存の DMI を用いたマイクロ磁気シミュレーションは、ドメイン進化と <Qsk> の変化を含む実験的傾向を再現し、厚さ駆動制御によるスキルモン特性の制御を確認する。
  • スキルモン直径は実験でサブ 60 nm、シミュレーションで約 55–60 nm に達し、密度は実験で約 26 μm^-2、80 nm の膜でシミュレーションでは約 32 μm^-2 に達する。
Figure 2: Room temperature MFM imaging of magnetic spin textures and THE as a function of applied field (H) in a 60 nm GdFe single layer. $\bm{a}$ represents topological Hall resistivity ( $\Delta\rho_{xy}(H)$ ) (green circles) obtained by subtracting the fitted ordinary and anomalous Hall contribut
Figure 2: Room temperature MFM imaging of magnetic spin textures and THE as a function of applied field (H) in a 60 nm GdFe single layer. $\bm{a}$ represents topological Hall resistivity ( $\Delta\rho_{xy}(H)$ ) (green circles) obtained by subtracting the fitted ordinary and anomalous Hall contribut

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このレビューはAIが作成し、人間の編集者が確認しました。