[论文解读] Imaging the Spin Texture of a Skyrmion Under Ambient Conditions Using an Atomic-Sized Sensor

Yuliya Dovzhenko, Francesco Casola+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2016

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 2被引用 7

一句话总结

本研究利用金刚石中的氮-vacancy (NV) 位点作为原子尺度磁传感器，在环境条件下重构了Pt/Co/Ta多层膜中室温自旋霍奇金子的完整三维自旋结构。出乎意料的是，尽管存在左手性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用 (DMI)，自旋霍奇金子的壁仍表现出右手性，表明其具有管状自旋结构，其手性随薄膜厚度方向旋转，这是由DMI与退磁场之间竞争所致。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are two-dimensional non-collinear spin textures characterised by an integer topological number. They commonly crystallise at low temperatures in bulk noncentrosymmetric ferromagnets where the lack of inversion symmetry leads to an antisymmetric component of the exchange interaction. Recently, stable room-temperature skyrmions were reported in stacks of thin magnetic films where antisymmetric exchange results from broken symmetry at the interface. Determining the spin structure of these technologically-relevant skyrmions in the presence of external magnetic fields has remained a key experimental challenge. Here, we use the single electron spin of a Nitrogen-Vacancy (NV) centre in diamond to perform scanning magnetometry of skyrmions in Pt/Co/Ta multilayers under ambient conditions. We introduce a novel method to assess the manifold of spin textures compatible with the measured local magnetic fields and identify physically allowed configurations based on the topology of the resulting solution. We determine that the underlying magnetization pattern for the skyrmion is consistent with a cycloid (or Néel)-like spin texture, in agreement with theoretical predictions for interfacial antisymmetric exchange interaction. Our results open up wide-ranging possibilities in quantitative model-free imaging of two-dimensional spin structures using scanning NV magnetometry.

研究动机与目标

• 在环境条件下，对多层系统中的磁性自旋霍奇金子的完整三维自旋结构进行成像。
• 解决在Pt/Co/Ta多层膜中，预测的左手性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用 (DMI) 与实际观测到的自旋霍奇金子手性之间的矛盾。
• 开发一种从漏磁场测量中重建磁化结构的稳健方法，同时考虑逆问题的欠定性质。
• 研究漏磁场相互作用与DMI在稳定具有非均匀手性的自旋霍奇金子中的作用，这些自旋霍奇金子的手性随薄膜厚度变化。
• 提供传统成像技术无法获取的、定量且微观的自旋霍奇金子自旋结构表征。

提出的方法

• 采用金刚石中的单个氮-vacancy (NV) 位点作为纳米尺度磁传感器，测量样品上方磁场的垂直分量。
• 利用微波控制和NV自旋态的光学探测，以亚100 nm的空间分辨率绘制沿NV轴方向的磁场投影。
• 开发了一套数据重建框架，通过手性分类解决方案，并利用能量连续性排除非物理配置。
• 应用一种有效规范固定方法，使重建过程中可实现层间手性的变化，从而能够对具有变化手性的Néel型壁进行建模。
• 将实验测量与三维微磁模拟相结合，以验证观测到的自旋结构，并评估DMI和漏磁场的影响。
• 采用有效介质模型模拟了十个磁性层，每层厚1 nm，层间非磁性间隔层厚7 nm，以探究DMI强度对自旋霍奇金子手性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在环境条件下，室温下Pt/Co/Ta多层膜中自旋霍奇金子的真实三维自旋结构是什么？
• RQ2 为何在该材料体系中，观测到的自旋霍奇金子壁的手性与基于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用 (DMI) 预测的左手性不同？
• RQ3 漏磁场相互作用与DMI如何竞争，从而影响自旋霍奇金子在薄膜厚度方向上的手性？
• RQ4 NV中心磁力测量能否分辨出传统表面敏感技术（如PEEM）无法区分的非均匀自旋结构？
• RQ5 当存在磁通闭合畴时，稳定磁场与DMI强度之间的定量关系是什么？

主要发现

• 自旋霍奇金子的壁表现出右手性，与材料中DMI所预期的左手性相反，表明其自旋结构具有非均匀性。
• 观测到的自旋结构最合理的解释是：一种管状自旋霍奇金子，其手性在薄膜厚度方向上均匀旋转，由DMI与漏磁场之间的竞争驱动。
• 微磁模拟证实，当DMI值低于1 mJ/m²时，顶层表现出右手性，而更深层则过渡为左手性。
• 手性从右向左转变的层位取决于DMI强度，较高的DMI更倾向于在整个厚度范围内维持均匀的左手性。
• 若假设磁化均匀，则会错误解读稳定磁场：零DMI时所需的26 mT磁场，等效于在该假设下约0.5 mJ/m²的DMI强度，凸显了体积漏磁场效应的重要性。
• NV磁力测量结合所提出的重建方法，可明确区分不同自旋结构，即使顶层磁化看起来相同。