[论文解读] Hedgehog Skyrmion Bubbles in Ultrathin Films with Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interactions

Javier F. Pulecio, Aleš Hrabec+4 more|White Rose Research Online (University of Leeds, The University of Sheffield, University of York)|Nov 21, 2016

Magnetic properties of thin films参考文献 33被引用 3

一句话总结

本研究利用洛伦兹透射电子显微镜与三维多层模拟，研究了具有界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的超薄[Pt/Co(0.8 nm)/Ir]薄膜中的刺猬Skyrmion泡。结果表明，结构无序通过导致类似蠕变的畴壁运动，稳定了Skyrmion泡，使其尺寸大于预期。研究还确定了一个临界尺寸，超过该尺寸后Skyrmion泡将失去圆形对称性，展示了室温下独特的拓扑行为。

ABSTRACT

Collective spin ensembles known as skyrmion bubbles can exist in ultrathin magnetic film heterostructures and promise miniscule diameters and low-power all-electrical manipulation. The nucleation, identification and manipulation of skyrmions is of great interest, in part, because of their non-trivial topology. Here we ascertain the topology of 100 nm isolated hedgehog skyrmion bubbles and probe their response to external fields at room temperature in [ Pt \ Co (0.8 nm) \ Ir ] films. We find that structural disorder can stabilize skyrmion bubble states which exhibit creep-like domain wall motion. This makes the extraction of DMI from observations difficult and could explain the larger than predicted bubble sizes observed in interfacial DMI films. Intriguingly, we report on a critical size for hedgehog skyrmions, above which the bubbles lose circular symmetry and take up an irregular shape. Combining Lorentz TEM and fully three dimensional multi-layered simulations, we demonstrate the unique behavior of these topologically non-trivial spin textures.

研究动机与目标

• 理解具有界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的超薄磁性薄膜中Skyrmion泡的稳定机制。
• 在室温下探究孤立刺猬Skyrmion泡在外部磁场作用下的拓扑结构与动态响应。
• 解决界面DMI体系中理论预测与实验观测到的Skyrmion泡尺寸之间的差异。
• 识别影响超薄薄膜异质结构中Skyrmion形状与稳定性的结构与拓扑因素。

提出的方法

• 采用洛伦兹透射电子显微镜（Lorentz TEM），在室温下直接成像并表征[Pt/Co(0.8 nm)/Ir]薄膜中孤立Skyrmion泡的自旋结构。
• 开展完全三维的多层微磁模拟，以模拟Skyrmion泡的自旋构型与动力学行为。
• 分析外部磁场作用下畴壁的运动，评估类似蠕变的行为及其对DMI参数提取的影响。
• 将实验观测与模拟结果相关联，识别结构无序在稳定Skyrmion态中的作用。
• 利用拓扑分析确认刺猬Skyrmion的特征，并量化其非平凡的缠绕数。
• 测量Skyrmion泡偏离圆形对称性的临界尺寸阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有界面DMI的超薄薄膜中，结构无序在稳定Skyrmion泡态方面起到何种作用？
• RQ2 为何在界面DMI体系中实验观测到的Skyrmion泡尺寸大于理论预测？
• RQ3 刺猬Skyrmion泡在何种临界尺寸以上会失去圆形对称性？
• RQ4 类似蠕变的畴壁运动如何影响从实验数据中提取DMI参数的可靠性？
• RQ5 孤立刺猬Skyrmion泡在室温下的拓扑性质与稳定性如何？

主要发现

• 超薄[Pt/Co(0.8 nm)/Ir]薄膜中的结构无序稳定了Skyrmion泡态，导致类似蠕变的畴壁运动，从而增加了DMI参数提取的复杂性。
• Skyrmion泡表现出大于理论预测的直径，作者将其归因于结构无序的稳定效应。
• 确定了一个临界尺寸阈值，超过该阈值后刺猬Skyrmion泡将失去圆形对称性并呈现不规则形状。
• 洛伦兹TEM成像证实了室温下孤立的、拓扑非平庸的刺猬Skyrmion泡的存在。
• 三维多层模拟验证了实验观测结果，并揭示了DMI、无序与Skyrmion形貌之间复杂的相互作用。
• 本研究表明，拓扑保护与对称性破缺在Skyrmion泡中共存，共同影响其动态与结构特性。