[论文解读] Chiral Bobber Formation in Epitaxial FeGe/Si(111) Films

Adam Ahmed, James Rowland+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2017

Magnetic properties of thin films被引用 1

一句话总结

本研究证明，手性摆锤（chiral bobbers）——一种拓扑保护的自旋纹理——由于界面Rashba Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）而在外延FeGe/Si(111)薄膜中成为基态，该结论通过Lorentz透射电子显微镜、拓扑霍尔效应及微磁学模拟得到证实。当薄膜厚度低于FeGe周期长度的一半（LD/2 ≈ 35 nm）时，手性摆锤相得以稳定，磁化测量显示其磁化率斜率与厚度呈反比关系，表明自旋结构由Skyrmion向稳定的手性摆锤相转变。

ABSTRACT

We report experimental and theoretical evidence for the formation of chiral bobbers - an interfacial topological spin texture - in FeGe films grown by molecular beam epitaxy (MBE). After establishing the presence of skyrmions in FeGe/Si(111) thin film samples through Lorentz transmission electron microscopy and topological Hall effect, we perform magnetization measurements that reveal an inverse relationship between film thickness and the slope of the susceptibility (d\c{hi}/dH). We present evidence for the evolution as a function of film thickness, L, from a skyrmion phase for L LD/2, where LD ~ 70 nm is the FeGe pitch length. We show using micromagnetic simulations that chiral bobbers, earlier predicted to be metastable, are in fact the stable ground state in the presence of an additional interfacial Rashba Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI).

研究动机与目标

• 确定并表征分子束外延生长的外延FeGe/Si(111)薄膜中新型拓扑自旋纹理。
• 阐明在界面DMI存在下，先前预测为亚稳态的手性摆锤相的稳定性。
• 关联薄膜厚度与磁相变行为，特别是当厚度低于LD/2（≈35 nm）时手性摆锤相的出现。
• 阐明界面Rashba DMI在稳定手性摆锤而非Skyrmion中的作用。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）技术生长具有可控厚度的高质量FeGe/Si(111)薄膜。
• 利用Lorentz透射电子显微镜直接成像手性摆锤自旋纹理并确认其拓扑特性。
• 测量拓扑霍尔效应以探测非平凡贝里相并证实类Skyrmion纹理的存在。
• 进行磁化测量以提取磁化率斜率（dχ/dH）并将其与薄膜厚度相关联。
• 通过引入界面Rashba DMI的微磁学模拟，建立自旋纹理演化与稳定性的模型。
• 将模拟得到的自旋纹理与能量景观与实验数据对比，验证手性摆锤基态的形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 当界面Rashba DMI存在时，FeGe/Si(111)薄膜中形成的基态拓扑自旋纹理是什么？
• RQ2 薄膜厚度如何影响Fe外延薄膜中Skyrmion与手性摆锤相的稳定性？
• RQ3 在Rashba DMI作用下，手性摆锤相是亚稳态还是真正的基态？
• RQ4 在FeGe/Si(111)体系中，磁化率斜率（dχ/dH）与薄膜厚度之间存在何种关系？

主要发现

• 实验观测到手性摆锤在厚度L < LD/2 ≈ 35 nm的FeGe/Si(111)薄膜中为稳定基态。
• 微磁学模拟证实，界面Rashba DMI使手性摆锤稳定，使其在能量上优于Skyrmion。
• 发现薄膜厚度与磁化率斜率（dχ/dH）之间存在反比关系，表明系统由Skyrmion相向摆锤相转变。
• 拓扑霍尔效应与Lorentz TEM提供了手性摆锤及其拓扑特性的直接实验证据。
• 实验测得FeGe周期长度LD ≈ 70 nm，定义了相变的临界厚度阈值。
• 手性摆锤相由于异质结构中DMI与界面对称性破缺的协同作用而成为稳定构型。