[论文解读] Evolution of chiral magnetic textures and their topological Hall signature in Ir/Fe/Co/Pt multilayer films

M. Raju, Alon Yagil+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2017

Magnetic properties of thin films被引用 3

一句话总结

本研究通过霍尔输运测量与磁成像技术，结合温度（T）和垂直磁场（H）的变化，研究了Ir/Fe/Co/Pt多层膜中手性磁结构的演化及其拓扑霍尔效应（THE）特征。结果表明，拓扑霍尔电阻率（ρ_TH）与孤立自旋旋翼密度（n_sk）成比例，证实了THE的贝里相起源；然而，对于观测到的拓扑电荷密度（n_T），其ρ_TH显著高于当前理论预测值。

ABSTRACT

Skyrmions are topologically protected, two-dimensional, localized hedgehogs and whorls of spin. Originally invented as a concept in field theory for nuclear interactions, skyrmions are central to a wide range of phenomena in condensed matter. Their realization at room temperature (RT) in magnetic multilayers has generated considerable interest, fueled by technological prospects and the access granted to fundamental questions. The interaction of skyrmions with charge carriers gives rise to exotic electrodynamics, such as the topological Hall effect (THE), the Hall response to an emergent magnetic field, a manifestation of the skyrmion Berry-phase. The proposal that THE can be used to detect skyrmions needs to be tested quantitatively. For that it is imperative to develop comprehensive understanding of skyrmions and other chiral textures, and their electrical fingerprint. Here, using Hall transport and magnetic imaging, we track the evolution of magnetic textures and their THE signature in a technologically viable multilayer film as a function of temperature ($T$) and out-of-plane applied magnetic field ($H$). We show that topological Hall resistivity ($ ho_\mathrm{TH}$) scales with the density of isolated skyrmions ($n_\mathrm{sk}$) over a wide range of $T$, confirming the impact of the skyrmion Berry-phase on electronic transport. We find that at higher $n_\mathrm{sk}$ skyrmions cluster into worms which carry considerable topological charge, unlike topologically-trivial spin spirals. While we establish a qualitative agreement between $ ho_\mathrm{TH}(H,T)$ and areal density of topological charge $n_\mathrm{T}(H,T)$, our detailed quantitative analysis shows a much larger $ ho_\mathrm{TH}$ than the prevailing theory predicts for observed $n_\mathrm{T}$.

研究动机与目标

• 定量检验拓扑霍尔效应（THE）是否可作为在技术可行磁性多层膜中检测自旋旋翼的可靠电学指纹。
• 理解孤立自旋旋翼密度（n_sk）与拓扑霍尔电阻率（ρ_TH）在不同温度（T）和垂直磁场（H）下的关系。
• 研究拓扑非平庸的自旋旋翼团簇（“worms”）的形成及其对总拓扑电荷密度（n_T）和ρ_TH的贡献。
• 解决在高自旋旋翼密度下，观测到的ρ_TH与基于测量n_T的理论预测之间的差异。

提出的方法

• 采用霍尔输运测量，提取作为温度（T）和垂直磁场（H）函数的拓扑霍尔电阻率（ρ_TH）。
• 结合磁成像（如洛伦兹透射电子显微镜或类似技术），直接可视化手性磁结构的演化，包括孤立自旋旋翼及其聚集成“worms”的过程。
• 从磁成像数据中量化孤立自旋旋翼的面密度（n_sk）和总拓扑电荷密度（n_T）。
• 对ρ_TH(H,T)与n_T(H,T)进行对比分析，评估现有理论模型将THE与拓扑电荷关联的合理性。
• 采用标度分析，检验ρ_TH与n_sk在广泛T和H范围内的比例关系。
• 通过区分自旋旋翼（拓扑非平庸）与平凡自旋螺旋结构，评估自旋织构的拓扑性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同温度和磁场条件下，拓扑霍尔电阻率（ρ_TH）如何随孤立自旋旋翼密度（n_sk）变化？
• RQ2 自旋旋翼团簇（“worms”）在总拓扑电荷密度（n_T）和观测到的ρ_TH中贡献有多大？
• RQ3 测量得到的ρ_TH与基于观测n_T的理论预测之间是否存在定量一致性？
• RQ4 为何测量得到的ρ_TH显著高于相同n_T下当前理论模型的预测值？

主要发现

• 在广泛温度（T）和垂直磁场（H）范围内，拓扑霍尔电阻率（ρ_TH）与孤立自旋旋翼密度（n_sk）呈线性比例关系，证实了THE的贝里相起源。
• 在较高自旋旋翼密度下，孤立自旋旋翼聚集成称为“worms”的拓扑非平庸结构，其携带显著的拓扑电荷，且与平凡自旋螺旋结构不同。
• 尽管ρ_TH(H,T)与拓扑电荷面密度（n_T）之间存在定性一致性，但测量得到的ρ_TH在观测n_T下显著高于理论预测值。
• 测量ρ_TH与理论预期之间的差异表明，当前模型可能遗漏了关键贡献，例如相关自旋旋翼团簇或高阶拓扑效应。
• 结果验证了THE作为探测自旋旋翼群体的灵敏探针的有效性，但揭示了现有理论框架在描述其输运响应方面的局限性。
• 本研究建立了自旋旋翼密度、拓扑织构形态与电输运响应之间的直接实验关联，推动了THE在自旋电子学器件中自旋旋翼检测的应用。