[论文解读] Emergence of robust 2D skyrmions in SrRuO3 ultrathin film without the capping layer

Byungmin Sohn, Bongju Kim+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2018

Advanced Condensed Matter Physics被引用 6

一句话总结

本研究在无重金属盖层的超薄SrRuO3（SRO）薄膜中实现了稳定的二维自旋涡旋态，其在SrTiO3衬底上形成，得益于Ru-O平面弯曲引起的本征界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）。这些自旋涡旋态表现出极高的稳定性，临界场高达1.57 T（在10 K时），且在85°倾斜磁场下仍能保持稳定，这归因于由第一性原理计算证实的强磁各向异性。

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.

研究动机与目标

• 探索无重金属盖层的超薄SrRuO3薄膜中自旋涡旋态的形成机制。
• 阐明在无人工自旋轨道耦合增强条件下，自旋涡旋态稳定性的起源。
• 确定结构不对称性与磁各向异性在实现拓扑保护自旋涡旋态中的作用。
• 确立SrRuO3作为无盖层自旋涡旋电子学平台的可行性。

提出的方法

• 通过测量拓扑霍尔效应（THE）探测不同磁场条件下自旋涡旋态的形成与稳定性。
• 应用相干布拉格杆分析（COBRA）检测结构畸变，特别是Ru-O平面的褶皱。
• 基于COBRA获得的晶体结构进行第一性原理电子结构计算，评估磁各向异性和DMI强度。
• 系统性改变磁场方向（最大倾斜85°）以测试自旋涡旋态的鲁棒性。
• 利用SrTiO3衬底诱导界面对称性破缺和DMI，无需使用盖层。

实验结果

研究问题

• RQ1 无重金属盖层的超薄SrRuO3薄膜中能否形成稳定的二维自旋涡旋态？
• RQ2 在无盖层SRO薄膜中，Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的结构与电子起源是什么？
• RQ3 在无外部自旋轨道耦合调控的条件下，本征磁各向异性如何贡献于自旋涡旋态的稳定性？
• RQ4 在此体系中，自旋涡旋态在倾斜磁场下能持续多大程度？

主要发现

• 少层SrRuO3中的自旋涡旋态在10 K时表现出高达1.57 T的临界场，表明具有强拓扑保护性。
• 拓扑霍尔效应在磁场倾斜高达85°时仍能保持稳定，且平面内磁场可达6.5 T，显示出极强的鲁棒性。
• COBRA分析证实，Ru-O平面褶皱是异质结构中反演对称性破缺和DMI的来源。
• 第一性原理计算揭示了SrRuO3薄膜中存在显著的磁各向异性，这是自旋涡旋态稳定性的主要根源。
• 无盖层的存在并不影响自旋涡旋态的鲁棒性，确立了SRO作为无盖层自旋涡旋电子学平台的可行性。