[论文解读] Experimental observation of one-dimensional motion of interstitial skyrmion in FeGe

Dongsheng Song, Weiwei Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2022

Magnetic properties of thin films被引用 8

一句话总结

本研究通过几何凹槽定义的通道，实验上展示了FeGe中空位自旋子的一维（1D）运动，抑制了自旋子霍尔效应，并由于非绝热自旋扭矩参数（η）较大，使电流驱动的自旋子速度提升了近一个数量级。一维限制实现了稳定、定向的自旋子输运，为拓扑自旋电子器件提供了有前景的路径。

ABSTRACT

The interplay between dimensionality and topology manifests in magnetism via both exotic texture morphology and novel dynamics. A free magnetic skyrmion exhibits the skyrmion Hall effect under electric currents. Once it is confined in one-dimensional (1D) channels, the skyrmion Hall effect would be suppressed, and the current-driven skyrmion speed should be boosted by the non-adiabatic spin transfer torque \b{eta}. Here, we experimentally demonstrate that stripes of a spatially modulated spin helix serve as natural 1D channels to restrict skyrmion. Using FeGe as a benchmark, an interstitial skyrmion is created by geometry notch and further moves steadily without the skyrmion Hall effect. The slope of the current-velocity curve for 1D skyrmion is enhanced almost by an order of magnitude owing to a large \b{eta} in FeGe. This feature is also observed in other topological defects. Utilizing the 1D skyrmion dynamics would be a highly promising route to implement topological spintronic devices.

研究动机与目标

• 研究在FeGe中由几何凹槽形成的的一维通道内，空位自旋子的动力学行为。
• 抑制通常在二维系统中限制自旋子输运效率的自旋子霍尔效应。
• 展示由于FeGe中较大的非绝热自旋扭矩（η）而实现的增强电流驱动自旋子速度。
• 探索一维自旋子动力学在未来拓扑自旋电子应用中的潜力。

提出的方法

• 在FeGe单晶中加工几何凹槽，以形成天然的一维通道，用于自旋子约束。
• 通过局部磁脉冲在凹槽区域引发空位自旋子。
• 利用原位洛伦兹透射电子显微镜（Lorentz TEM）测量电流驱动的自旋子运动，以追踪实时动力学。
• 分析电流-速度关系，以提取有效非绝热自旋扭矩参数（η）。
• 比较不同约束几何形状下拓扑缺陷（包括自旋子）的动力学行为。
• 通过微观结构与磁成像，研究空间调制自旋螺旋在稳定一维自旋子运动中的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 一维约束如何影响FeGe中空位自旋子的电流驱动运动？
• RQ2 与二维系统相比，一维通道中自旋子霍尔效应的抑制程度如何？
• RQ3 在FeGe中一维自旋子输运条件下，非绝热自旋扭矩（η）的大小是多少？
• RQ4 能否在FeGe中实现并维持可测量距离的一维自旋子运动？
• RQ5 一维自旋子的速度如何随外加电流变化，η在该比例关系中起什么作用？

主要发现

• 在FeGe中由几何凹槽形成的1D通道内，自旋子霍尔效应被有效抑制，实现了直线运动。
• 与二维自旋子相比，1D自旋子的电流-速度斜率提升了近一个数量级，表明其有效迁移率显著提高。
• FeGe中较大的非绝热自旋扭矩参数（η）被确定为实现1D运动中速度提升与稳定性的关键因素。
• 空位自旋子表现出稳定、定向的运动，无横向偏转，证实了一维约束的有效性。
• 相同的一维动力学行为也观察到了其他拓扑缺陷，表明其在1D通道中存在拓扑缺陷输运的普遍机制。
• 实验结果证实，FeGe中的一维自旋子输运具有高度鲁棒性，适用于未来自旋电子器件的集成。