[논문 리뷰] Emergence of robust 2D skyrmions in SrRuO3 ultrathin film without the capping layer

Byungmin Sohn, Bongju Kim외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 03.

Advanced Condensed Matter Physics인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 중금속 캡핑층이 없는 초박공한 SrRuO3 (SRO) 필름에서 내재된 상호작용에 의해 유도된 인터페이스 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)에 의해 강력한 2D 스카이르미온이 존재함을 입증한다. 스카이르미온은 10 K에서 임계장 1.57 T를 보이며, 85° 경사진 자기장에서도 지속되며, 이는 제1원리 계산으로 확인된 강한 자성 이방성에 기인한다.

ABSTRACT

Magnetic skyrmions have fast evolved from a novelty, as a realization of topologically protected structure with particle-like character, into a promising platform for new types of magnetic storage. Significant engineering progress was achieved with the synthesis of compounds hosting room-temperature skyrmions in magnetic heterostructures, with the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interactions (DMI) conducive to the skyrmion formation. Here we report findings of ultrathin skyrmion formation in a few layers of SrRuO3 grown on SrTiO3 substrate without the heavy-metal capping layer. Measurement of the topological Hall effect (THE) reveals a robust stability of skyrmions in this platform, judging from the high value of the critical field 1.57 Tesla (T) at low temperature. THE survives as the field is tilted by as much as 85 degrees at 10 Kelvin, with the in-plane magnetic field reaching up to 6.5 T. Coherent Bragg Rod Analysis, or COBRA for short, on the same film proves the rumpling of the Ru-O plane to be the source of inversion symmetry breaking and DMI. First-principles calculations based on the structure obtained from COBRA find significant magnetic anisotropy in the SrRuO3 film to be the main source of skyrmion robustness. These features promise a few-layer SRO to be an important new platform for skyrmionics, without the necessity of introducing the capping layer to boost the spin-orbit coupling strength artificially.

연구 동기 및 목표

• 중금속 캡핑층이 없는 초박공한 SrRuO3 필름에서 스카이르미온 형성 원리를 탐색한다.
• 인위적 스핀-오비탈 결합 강화 없이도 강력한 스카이르미온 안정성의 기원을 규명한다.
• 구조적 비대칭성과 자성 이방성이 위상적으로 보호된 스카이르미온을 가능하게 하는 역할을 규명한다.
• SRO를 캡핑층이 없는 스카이르미온이스 플랫폼으로서 실현 가능하게 한다.

제안 방법

• 다양한 자기장 조건에서 스카이르미온 형성과 안정성을 탐사하기 위해 위상적 홀 효과 (THE) 측정을 수행한다.
• 특히 Ru-O 평면의 비틀림을 탐지하기 위해 일관된 브라그 막 분석(COBRA)을 적용한다.
• COBRA로부터 유도된 결정 구조를 기반으로 제1원리 전자 구조 계산을 수행하여 자성 이방성과 DMI 강도를 평가한다.
• 자기장 방향을 85°까지 변화시켜 스카이르미온의 내구성을 시험한다.
• 캡핑층 없이도 상호작용을 유도하기 위해 SrTiO3 기반재를 사용하여 인터페이스 대칭성 파괴와 DMI를 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중금속 캡핑층이 없는 초박공한 SrRuO3 필름에서 강력한 2D 스카이르미온이 형성될 수 있는가?
• RQ2 캡핑이 없는 SRO 필름에서 Dzyaloshinskii-Moriya 상호작용(DMI)의 구조적 및 전자적 기원은 무엇인가?
• RQ3 외부 스핀-오비탈 조절 없이도 내재된 자성 이방성이 스카이르미온 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 이 플랫폼에서 스카이르미온은 어느 정도까지 기울인 자기장 조건에서도 지속될 수 있는가?

주요 결과

• 수층 수준의 SrRuO3에서 스카이르미온은 10 K에서 1.57 T의 높은 임계장을 보이며 강력한 위상적 보호를 나타낸다.
• 위상적 홀 효과는 자기장이 85°까지 기울여진 상태에서도 유지되며, 면내 자기장은 6.5 T까지 도달하여 매우 뛰어난 내구성을 보여준다.
• COBRA 분석은 Ru-O 평면의 비틀림이 이종구조에서의 전위 대칭성 파괴와 DMI의 근본 원인임을 확인한다.
• 제1원리 계산은 SrRuO3 필름에서 뚜렷한 자성 이방성이 존재함을 밝혀내며, 이는 스카이르미온 안정성의 주요 기원임을 입증한다.
• 캡핑층이 없더라도 스카이르미온의 내구성에 손상이 없으며, SRO가 캡핑층이 없는 스카이르미온이스 플랫폼으로서 실현 가능함을 입증한다.