[논문 리뷰] Thickness-Driven Control of Room Temperature Ferrimagnetic Skyrmions and their Topological Hall signature in GdFe Single Layers

Saroj Kumar Mishra, Y. K. Takahashi외 3명|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 25.

Magnetic properties of thin films인용 수 0

한 줄 요약

본 연구는 단일층 GdFe 박막에서 상온 페리자마그네틱 스키로미온을 시연하며, 그 크기와 밀도는 박막 두께에 의해 조정될 수 있고, MFM 이미징과 마이크로자성 시뮬레이션으로 확인된 위상학적 홀 서명이 이를 뒷받침합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일층 GdFe 박막에서 상온 페리자마그네틱 스키로미온이 안정화될 수 있는지 확인한다.
• 박막 두께가 자성 매개변수와 스키로미온 특성(크기, 밀도)을 어떻게 조절하는지 탐구한다.
• 스키로미온과 관련된 위상학적 홀 시그니처를 식별하고 이를 실제 공간 이미징과 연결한다.
• 무정질 GdFe 계층에서 구조 반전 비대칭성과 벌크 DMI가 발생하여 스키로미온 안정화에 기여하는지 평가한다.

제안 방법

• 전자빔 증착으로 두께 60, 70, 80 nm의 GdFe 단층 박막을 제조한다.
• SQUID 자화측정을 통해 Ms, Ku, hk를 추출하기 위해 자화 및 이방성 특성을 표지한다.
• 자기력 현미경(MFM)을 사용해 스키로미온과 필드에 따른 진화를 검출한다.
• 자연스러운 홀 기여와 비정상 홀 기여를 분리해 전자전도 측정에서 위상학적 홀 저항률 Δρxy(H)를 측정한다.
• 박막 두께 방향의 구성 변화와 potential bulk DMI를 확인하기 위해 깊이 해상 STEM–EDS를 수행한다.
• 실험 매개변수를 이용해 도메인 진화를 모델링하고 필드의 함수로 평균 스키로미온 수 <Qsk>를 계산하기 위해 Mumax3를 이용한 마이크로자성 시뮬레이션을 수행한다.
• 실험적 스키로미온 크기/밀도와 시뮬레이션을 비교해 두께 구동 제어를 검증한다.

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.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일층 GdFe 박막에서 상온 페리자마그네틱 스키로미온이 안정화될 수 있는가?
• RQ2 GdFe에서 두께를 증가시키면 스키로미온의 크기와 밀도에 어떤 변화가 나타나는가?
• RQ3 이들 박막에서 위상학적 홀 효과와 실제 공간의 스키로미온 텍스처 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 비다층 구조 없이 스키로미온 안정화를 가능하게 하는 벌크 DMI가 amorphous GdFe의 구성 편향에서 기인하는가?
• RQ5 마이크로자성 시뮬레이션이 실험적 두께 의존성과 Topological Hall 신호를 뒷받침하는가?

주요 결과

• RT에 GdFe 단층에서 스키로미온이 형성되며 두께가 증가할수록 크기가 감소하고 밀도가 증가한다 (60→80 nm).
• 두께가 커질수록 Topological Hall 저항률 Δρxy가 증가하고, 이는 MFM으로 관찰된 스키로미온 밀도 증가와 상관관계가 있다 (Δρxy ≈ 0.36 μΩ·cm at 60 nm, ≈ 0.73 μΩ·cm at 70 nm, ≈ 1.18 μΩ·cm at 80 nm).
• MFM은 필드 증가에 따라 미로형/버블 도메인에서 고립된 스키로미온으로의 변화를 보여주고, 관찰된 이중 피크 Δρxy 신호는 반대 핵 극성을 가진 두 가지 스키로미온 위상을 반영한다.
• STEM–EDS는 박막 두께를 따라 구성 기울기가 생겨 구조 반전 비대칭성을 야기하고, 이는 스키로미온을 안정화시키는 벌크 DMI에 기여한다.
• 두께 의존 DMI를 가진 마이크로자성 시뮬레이션은 도메인 진화 및 <Qsk> 변화와 같은 실험적 경향을 재현하며 두께 구동 제어를 확인한다.
• 스키로미온 직경은 실험에서 하위 60 nm에 도달하고 시뮬레이션에서 약 55–60 nm이며, 밀도는 실험에서 약 26 μm^-2, 시뮬레이션에서 약 32 μm^-2에 도달한다(80 nm 박막 기준).

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