[论文解读] Thickness-Driven Control of Room Temperature Ferrimagnetic Skyrmions and their Topological Hall signature in GdFe Single Layers

Saroj Kumar Mishra, Y. K. Takahashi+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2026

Magnetic properties of thin films被引用 0

一句话总结

本研究在单层 GdFe 针磁性反铁磁涡旋在室温下实现，并且其尺寸和密度可通过膜厚调整，相应的拓扑霍尔信号由 MFM 成像和微磁模拟予以证实。

ABSTRACT

Magnetic skyrmions are nanoscale, topologically protected spin textures with exceptional potential for high density data storage and energy efficient computing. Among various skyrmion hosting systems, rare earth transition metal ferrimagnets offer a promising platform due to their tunable magnetic properties and intrinsically low net magnetization. Despite this, the fundamental control of ferrimagnetic skyrmions in single layer films remains unexplored. Here, we demonstrate a viable route for engineering room temperature skyrmions in GdFe single layers through precise control of film thickness (60 to 80 nm). Thickness variation enables the systematic tuning of key magnetic parameters, including perpendicular magnetic anisotropy and saturation magnetization, thereby allowing precise control over skyrmion size and density. Magnetic force microscopy (MFM) reveals a clear thickness dependent evolution of isolated skyrmion characteristics, where skyrmion size decreases while skyrmion density increases with increasing GdFe film thickness, in agreement with micromagnetic simulations. At the same time, magnetotransport measurements show a systematic enhancement in the topological Hall resistivity with thickness, further corroborating the increased skyrmion density observed in MFM. Scanning transmission electron microscopy reveals a compositional gradient across the film thickness, indicative of structural asymmetry and potential inversion symmetry breaking, contributing to the emergence of a bulk Dzyaloshinskii Moriya interaction. Notably, sub 60nm skyrmions with high areal density are stabilized at room temperature. This work provides a viable route to tailor the properties of ferrimagnetic skyrmions in single-layer GdFe films, paving the way for the development of high-density ferrimagnetic skyrmionic devices.

研究动机与目标

• 在单层 GdFe 薄膜中探究室温下是否能够稳定铁磁性反铁磁涡旋。
• 探索膜厚如何改变磁性参数与涡旋特征（尺寸、密度）。
• 确定与涡旋相关的拓扑霍尔信号并将其与实空间成像联系起来。
• 评估无晶体单元层中结构反演对称性与体 DMI 是否产生并促成涡旋稳定。

提出的方法

• 通过电子束蒸镀制备厚度分别为 60、70、80 nm 的 GdFe 单层薄膜。
• 利用 SQUID 磁测来表征磁化强度与各向异性，提取 Ms、Ku、hk。
• 利用磁力显微镜（MFM）检测涡旋及其在场中的演变。
• 通过从磁阻测量数据中分离常规霍尔与异常霍尔分量，测量拓扑霍尔 电阻率 Δρxy(H)。
• 进行深度分辨 STEM–EDS 以鉴定成分梯度与潜在体 DMI。
• 在实验参数基础上进行微磁模拟（Mumax3），模拟磁畴演化并计算随场变化的平均涡旋数 <Qsk>。
• 将实验涡旋尺寸/密度与模拟结果进行比较，以验证厚度驱动的控制。

Figure 1: In-plane and out-of-plane magnetization hysteresis loops for GdFe films with thicknesses of (a) 60 nm, (b) 70 nm, and (c) 80 nm. (d) Extracted anisotropy field ( $H_{k}$ ) and uniaxial magnetic anisotropy ( $k_{u}$ ) as a function of film thickness.

实验结果

研究问题

• RQ1 单层 GdFe 薄膜是否能够在室温稳定铁磁性涡旋？
• RQ2 随着膜厚增加，GdFe 中涡旋的尺寸和密度将如何变化？
• RQ3 这些薄膜中的拓扑霍尔效应与实空间涡旋结构之间的关系是什么？
• RQ4 是否有来自成分梯度的 bulk DMI 能在无多层结构的情况下实现涡旋稳定？
• RQ5 微磁模拟是否证实实验的厚度依赖性和拓扑霍尔信号？

主要发现

• 在 GdFe 单层中涡旋在室温形成，并且其尺寸随厚度增加而减小，密度增加（60→80 nm）。
• 拓扑霍尔电阻率 Δρxy 随厚度增加而增大，与 MFM 观测到的涡旋密度增大相关（60 nm 时 Δρxy ≈ 0.36 μΩ·cm，70 nm 时 ≈ 0.73 μΩ·cm，80 nm 时 ≈ 1.18 μΩ·cm）。
• MFM 显示场增大时从迷宫/气泡样畴转变为孤立涡旋，观测到的双峰 Δρxy 信号反映两种涡旋相位具有相反的核心极性。
• STEM–EDS 显示薄膜厚度方向存在成分梯度，引起结构性反演对称性，促成可稳定涡旋的 bulk DMI。
• 带厚度相关 DMI 的微磁模拟 reproduces 实验趋势，包括畴演化和 <Qsk> 的变化，验证了厚度驱动对涡旋性质的控制。
• 涡旋直径达到实验上小于 60 nm，模拟约 55–60 nm；80 nm 薄膜的实验密度约为 26 μm^-2，模拟为约 32 μm^-2。

Figure 2: Room temperature MFM imaging of magnetic spin textures and THE as a function of applied field (H) in a 60 nm GdFe single layer. $\bm{a}$ represents topological Hall resistivity ( $\Delta\rho_{xy}(H)$ ) (green circles) obtained by subtracting the fitted ordinary and anomalous Hall contribut