新加坡国立大学《ACS Nano》：具有成分梯度的 CoPt 薄膜中实现室温磁斯格明子的探测

Nebraska-Lincoln大学机械与材料工程系的Abdelghani Laraoui教授与新加坡国立大学材料科学与工程系的陈景升教授合作，在具有成分梯度的CoPt单层薄膜中，通过体对称性破缺诱导的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），成功实现了室温磁斯格明子的探测。相关成果以“Room Temperature Magnetic Skyrmions in Gradient-Composition Engineered CoPt Single Layers”为题发表在国际著名期刊《ACS Nano》上。

磁斯格明子（Magnetic Skyrmion）是一种拓扑稳定的自旋结构，因其在纳米级尺寸和高稳定性下的独特特性，成为下一代节能存储和逻辑器件的研究焦点，甚至有望应用于神经形态计算。DMI是一种反对称的交换作用，通常存在于缺乏反演对称性的磁性材料或界面中，是形成和稳定磁斯格明子的关键。如何通过材料设计和工程化手段调控DMI，是推动基于斯格明子的新型节能存储和逻辑器件实际应用的核心挑战之一。

图1. 具有成分梯度的CoPt薄膜的结构表征。(a) 具有成分梯度的CoPt薄膜的示意图，其中由成分梯度引起的体对称性破缺和强自旋轨道耦合共同作用下产生的体DMI。(b) 负梯度（蓝色）和正梯度（红色）的CoPt薄膜的XRD谱线。(c) 负梯度的CoPt薄膜的STEM-EDS图像，其中显示了Co（绿色）和Pt（红色）原子的梯度分布。(d) 负梯度的CoPt薄膜中Pt（红色实线）和Co（绿色虚线）元素的归一化EDS强度。

图2 具有负梯度的CoPt薄膜中磁结构的表征。(a) 拓扑霍尔曲线（THE）（蓝线）。插图：霍尔bar器件示意图。(I-VIII) MFM图像，对应于THE曲线上绿色空心圆点位置。(b) 单个磁斯格明子的MFM图像（分别对应II和VII图像中红色和蓝色星标位置）。(c) 磁斯格明子的横截面。(d) 磁斯格明子的半径随外加磁场的变化。

该研究中通过共溅射技术制备了具有正负梯度的CoPt单层薄膜，并系统研究了梯度诱导的DMI、拓扑霍尔效应及磁斯格明子的特性。实验发现，磁斯格明子在较宽磁场范围内表现出优异的稳定性。同时，研究团队通过nitrogen-vacancy（NV）磁力计对磁斯格明子的杂散场进行定量测量，结合微磁模拟和解析磁化重建，确认这些斯格明子为布洛赫型。此外，研究还观察到斯格明子对，这可能由斯格明子-反斯格明子相互作用或其他高阶效应引起。

这一研究展示了通过梯度诱导的DMI在单层CoPt薄膜中实现磁斯格明子的新途径，为开发基于斯格明子的逻辑和存储器件提供了全新的材料体系和技术路线。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了霍尔bar器件的制备。Nebraska-Lincoln大学Adam Erickson，新加坡国立大学的张琪涵以及Nebraska-Lincoln大学Hamed Vakili为共同第一作者，Nebraska-Lincoln大学的Abdelghani Laraoui教授和新加坡国立大学的陈景升教授为共同通讯作者。该研究得到了美国国家科学基金会（NSF）、新加坡教育部（MOE）和欧洲联盟复苏与韧性基金（EU Recovery and Resilience Facility）的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.4c10145