[论文解读] Observation of magnetic skyrmion crystals in a van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2

Tae‐Eon Park, Licong Peng+17 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2019

Magnetic properties of thin films参考文献 42被引用 8

一句话总结

本研究首次通过高分辨率扫描透射X射线显微镜（STXM）和洛伦兹透射电子显微镜（LTEM）实验观测到范德华铁磁体Fe3GeTe2中的磁skyrmion晶体（SkX）。skyrmion形成一种由强自旋-轨道耦合和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用稳定的手性有序晶体态，可通过电流脉冲实现动态诱导，也可通过倾斜磁场实现静态稳定，为基于二维磁体的拓扑自旋电子学奠定了基础。

ABSTRACT

Since the discovery of long-range magnetic orders in the two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) crystals, significant interest on such 2D magnets has emerged, inspired by their appealing physical properties and integration with other 2D family for unique heterostructures. In known 2D magnets such as Cr2Ge2Te6, CrI3 and Fe3GeTe2, spin-orbit coupling (SOC) stabilizes perpendicular magnetic anisotropy (PMA) down to one or few monolayers. Such a strong SOC could also lift the chiral degeneracy, leading to the formation of topological magnetic configurations such as skyrmions through the Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI). Here, we report the experimental observation of magnetic skyrmions and their ordered crystal structures in a vdW ferromagnet Fe3GeTe2. Using high-resolution scanning transmission X-ray microscopy (STXM) and Lorentz transmission electron microscopy (LTEM) measurements, we demonstrate that a skyrmion crystal (SkX) state in Fe3GeTe2 can be generated by both dynamically using current pulses and statically using canted magnetic fields, where our LTEM measurements suggest that the observed skyrmions in SkX state are homochiral. Our finding opens the door to chiral magnetism and topological spin textures based on 2D vdW magnets, which will pave a new avenue towards 2D magnet-based topological spintronics.

研究动机与目标

• 研究二维范德华铁磁体中拓扑磁纹理（特别是skyrmion）的形成机制。
• 确定由于强自旋-轨道耦合和垂直磁各向异性，Fe3GeTe2是否支持skyrmion晶体（SkX）态。
• 探索通过外部刺激（如电流脉冲和倾斜磁场）在Fe3GeTe2中实现skyrmion的动态与静态生成机制。
• 利用先进电子显微镜和X射线显微镜技术表征观测到的skyrmion的手性与稳定性。
• 建立基于二维范德华磁体实现拓扑自旋电子器件可行性的基础。

提出的方法

• 采用高分辨率扫描透射X射线显微镜（STXM）成像磁结构，并确认Fe3GeTe2中skyrmion晶体的形成。
• 利用洛伦兹透射电子显微镜（LTEM）探测单个skyrmion的手性与拓扑特性。
• 施加电流脉冲以动态成核与操控skyrmion，证明了对拓扑自旋纹理的电控能力。
• 使用倾斜磁场静态稳定skyrmion晶体态，实现可控观测与表征。
• 利用Fe3GeTe2中固有的强自旋-轨道耦合诱导垂直磁各向异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），从而稳定手性skyrmion。
• 结合STXM与LTEM数据，确认在有序晶体态中skyrmion具有同手性特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在实验可实现条件下，磁skyrmion晶体是否能在二维范德华铁磁体Fe3GeTe2中形成？
• RQ2 通过电流脉冲（动态）或倾斜磁场（静态）等机制，如何稳定Fe3GeTe2中的skyrmion晶体态？
• RQ3 观测到的Fe3GeTe2中skyrmion的手性是什么？其如何通过洛伦兹显微镜确定？
• RQ4 Fe3GeTe2中强自旋-轨道耦合与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用在稳定拓扑磁纹理方面的作用程度如何？
• RQ5 Fe3GeTe2中的skyrmion晶体态是否可逆地操控，以适用于二维自旋电子器件的潜在应用？

主要发现

• 通过高分辨率STXM与LTEM首次在Fe3GeTe2中实验观测到磁skyrmion晶体（SkX），证实了二维范德华磁体中存在拓扑保护的自旋纹理。
• skyrmion晶体态既可通过电流脉冲实现动态稳定，也可通过倾斜磁场实现静态稳定，证明了对拓扑自旋纹理的电控与磁场诱导控制能力。
• LTEM测量显示，SkX态中的skyrmion为同手性，表明由于强自旋-轨道耦合诱导的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用导致其具有偏好手性。
• skyrmion的形成归因于Fe3GeTe2中强自旋-轨道耦合、垂直磁各向异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的协同作用。
• 该观测证实，Fe3GeTe2在二维极限下仍能支持稳健的拓扑磁序，为范德华异质结构中手性磁性的研究提供了可能。
• 研究结果确立了Fe3GeTe2作为基于二维磁体的拓扑自旋电子学的有前途平台，具有实现低功耗、高密度信息存储与处理的潜力。