[논문 리뷰] Imaging the Spin Texture of a Skyrmion Under Ambient Conditions Using an Atomic-Sized Sensor

Yuliya Dovzhenko, Francesco Casola외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 02.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 대기 조건 하에서 Pt/Co/Ta 다층구조에서 스카일림의 전체 3차원 스핀 텍스처를 재구성하기 위해 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심을 원자 척도 자기 센서로 사용한다. 기대와는 달리, Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)이 왼손잡이 성향을 가짐에도 불구하고 스카일림의 도메인 벽은 오른손잡이 성향을 보이며, DMI와 잔류자기장 간의 경쟁으로 인해 두께 방향으로 스핀의 편향이 변화하는 관류형 스핀 구조임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 대기 조건 하에서 다층구조에서 스카일림의 전체 3차원 스핀 텍스처를 영상화하기.
• Pt/Co/Ta 다층구조에서 예측된 왼손잡이 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)과 관측된 스카일림 편향 간의 모순을 해결하기.
• 부족한 제약 조건을 가진 역문제를 고려하여 자화 구조를 잔류자기장 측정에서 재구성하는 견고한 방법 개발하기.
• 잔류자기장 상호작용과 DMI가 두께 방향으로 비균일한 편향을 가지는 스카일림을 안정화시키는 데 미치는 영향 조사하기.
• 기존 영상 기술로는 확보할 수 없는 정량적이고 미세한 스카일림 스핀 텍스처의 특성화 제공하기.

제안 방법

• 샘플 위의 잔류자기장의 수직 성분을 측정하기 위해 다이아몬드 내 단일 질소빈자리(NV) 중심을 나노스케일 자기 센서로 활용.
• 마이크로파 제어와 NV 스핀 상태의 광학적 탐지 방법을 사용하여 NV 축 방향의 자기장 성분을 100 nm 이내의 공간 해상도로 매핑.
• 해결책을 나비의 방향성으로 분류하고 에너지 연속성을 이용해 물리적으로 불가능한 구성 제거하는 데이터 재구성 프레임워크 개발.
• 재구성 과정에서 층 간 편향을 허용하기 위해 효과적인 게이지 고정 방법을 적용하여, 두께 방향으로 편향이 변화하는 Néel형 벽을 모델링 가능하게 함.
• 실험 측정과 3차원 마이크로자기 시뮬레이션을 결합하여 관측된 스핀 텍스처를 검증하고 DMI 및 잔류자기장의 영향 평가.
• DMI 강도가 스카일림 편향에 미치는 영향을 탐색하기 위해, 각각 1 nm 두께의 10개의 자성층과 7 nm 두께의 비자성 스퍼레이터를 포함하는 효과적 평균 모델을 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온에서 대기 조건 하에서 Pt/Co/Ta 다층구조의 스카일림이 진정으로 가지는 3차원 스핀 텍스처는 무엇인가?
• RQ2 이 물질계에서 예상되는 왼손잡이 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)과는 달리 관측된 스카일림 도메인 벽의 편향이 오른손잡이 성향을 보이는 이유는 무엇인가?
• RQ3 잔류자기장 상호작용과 DMI가 두께 방향으로 스카일림의 편향에 미치는 영향은 어떻게 경쟁하는가?
• RQ4 NV 중심 자기측정법은 기존 표면 민감도 기반 기술(예: PEEM)으로는 구분할 수 없는 비균일한 스핀 텍스처를 해결할 수 있는가?
• RQ5 플럭스-클로징 도메인이 존재할 경우, 안정화 자기장과 DMI 강도 사이의 정량적 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 예상과는 달리 DMI가 왼손잡이 성향을 가지는 물질계에서 스카일림의 도메인 벽은 오른손잡이 편향을 보이며, 이는 비균일한 스핀 텍스처를 시사한다.
• 관측된 스핀 구조는 DMI와 잔류자기장 간의 경쟁으로 인해 두께 방향으로 균일하게 편향이 변화하는 관류형 스카일림으로 가장 잘 설명된다.
• 마이크로자기 시뮬레이션은 DMI 값이 1 mJ/m² 이하일 경우 상부 층에서 오른손잡이 편향을 보이며, 더 깊은 층으로 갈수록 왼손잡이 편향으로 전환됨을 확인한다.
• 편향이 오른손에서 왼손으로 전환되는 층은 DMI 강도에 따라 달라지며, 높은 DMI에서는 모든 층에서 균일한 왼손잡이 편향을 유도한다.
• 균일한 자화를 가정할 경우 안정화 자기장에 대한 오해가 발생한다: DMI가 0일 경우 26 mT의 자기장은 이 가정 하에서 약 0.5 mJ/m²의 DMI에 해당하며, 이는 체적 잔류자기장 효과의 중요성을 강조한다.
• NV 자기측정법과 제안된 재구성 방법을 조합하면, 상부 층 자화가 동일하게 보일지라도 서로 다른 스핀 텍스처를 명확히 구별할 수 있다.