[论文解读] Dynamics of Polar Skyrmion Bubbles under Electric Fields

Ruixue Zhu, Zhexin Jiang+19 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2021

Magnetic properties of thin films被引用 4

一句话总结

本研究通过原位透射电子显微镜，在氧化物超晶格中实现了电场驱动的单个极性自旋袋的控制，揭示了拓扑极性态与平凡极性态之间的可逆相变。作者实现了对纳米尺度自旋袋的动态调控——包括创建、消除、扩展和收缩，揭示了其与磁性自旋袋不同的转变动力学，并为纳米电子器件应用提供了原子尺度的洞察。

ABSTRACT

Room-temperature polar skyrmion bubbles that are recently found in oxide superlattice, have received enormous interests for their potential applications in nanoelectronics due to the nanometer size, emergent chirality, and negative capacitance. For practical applications, the ability to controllably manipulate them by using external stimuli is prerequisite. Here, we study the dynamics of individual polar skyrmion bubbles at the nanoscale by using in situ biasing in a scanning transmission electron microscope. The reversible electric field-driven phase transition between topological and trivial polar states are demonstrated. We create, erase and monitor the shrinkage and expansion of individual polar skyrmions. We find that their transition behaviors are substantially different from that of magnetic analogue. The underlying mechanism is discussed by combing with the phase-field simulations. The controllable manipulation of nanoscale polar skyrmions allows us to tune the dielectric permittivity at atomic scale and detailed knowledge of their phase transition behaviors provides fundamentals for their applications in nanoelectronics.

研究动机与目标

• 研究单个极性自旋袋在纳米尺度下对外部电场的动态响应。
• 通过电场诱导的相变实现对自旋袋的可控调控。
• 理解极性自旋袋与其磁性对应物在转变动力学上的根本差异。
• 为未来纳米电子器件设计提供相变机制的原子尺度洞察。
• 为通过自旋袋工程在氧化物异质结构中调控介电常数奠定基础。

提出的方法

• 在扫描透射电子显微镜（STEM）中采用原位偏压技术，施加局域电场。
• 利用高分辨率STEM成像实时监测单个自旋袋的结构和极化变化。
• 开展相场模拟以建模并解释观测到的转变动力学。
• 施加电压脉冲，诱导拓扑自旋袋与平凡极性态之间的可逆转变。
• 追踪电场调制下自旋袋尺寸和形状在扩展与收缩过程中的演化。
• 将实验观测与模拟相图相关联，阐明其内在机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个极性自旋袋在施加电场时如何动态响应？
• RQ2 什么机制控制着拓扑自旋袋与平凡极性态之间的可逆相变？
• RQ3 在电场激励下，极性自旋袋的动力学与磁性自旋袋有何不同？
• RQ4 能否利用电场可控地创建、扩展、收缩或消除单个自旋袋？
• RQ5 局部极化与应变在调控所观测到的相变中起什么作用？

主要发现

• 电场可实现单个极性自旋袋在拓扑自旋袋与平凡极性态之间的可逆切换。
• 作者成功通过电压脉冲创建、消除并动态调节了单个自旋袋的尺寸。
• 在电场控制下，自旋袋的收缩与扩展通过不同的成核与湮灭过程进行。
• 极性自旋袋的转变动力学与磁性自旋袋显著不同，表明其具有不同的内在机制。
• 相场模拟证实，所观测行为源于极化、应变与电场梯度之间的相互作用。
• 本研究展示了通过可控自旋袋调控实现介电常数的原子尺度调制，为纳米电子学应用提供了潜在可能。