新加坡国立大学《Small》磁各向异性和梯度诱导的Dzyaloshinskii - Moriya相互作用对磁斯格明子形成的影响

新加坡国立大学材料科学与工程系的陈景升教授课题组与Nebraska-Lincoln大学机械与材料工程系的Abdelghani Laraoui教授课题组合作，在磁斯格明子的研究中取得最新进展，该研究成果以“Effect of Magnetic Anisotropy and Gradient-Induced Dzyaloshinskii-Moriya Interaction on the Formation of Magnetic Skyrmions”为题发表在《Small》上。

磁斯格明子（Magnetic Skyrmion）是一种拓扑稳定的自旋结构，因其具有纳米级尺寸和高稳定性的独特特性，成为下一代节能存储和逻辑器件的研究焦点。Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）用于稳定磁斯格明子。传统的DMI通常存在于磁性多层结构的界面上，最近的研究发现，通过在CoPt单层薄膜中引入成分梯度，可以产生一种梯度诱导的体DMI（g-DMI），从而稳定磁斯格明子。然而，具有成分梯度的CoPt（g-CoPt）薄膜中的磁各向异性非常敏感，会受到Co/Pt相对成分和薄膜厚度的影响。因此，揭示磁各向异性和g-DMI共同作用下磁斯格明子的稳定性，对于开发高密度磁存储应用至关重要。

该研究中我们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g-DMI与磁各向异性对磁斯格明子的影响 (图1)。研究发现，磁斯格明子的尺寸和密度会随着g-CoPt薄膜的厚度、成分梯度极性和外加磁场的变化而变化 (图2)。此外，在磁各向异性更高的样品中，磁斯格明子的密度也会相应增加，这与微磁模拟结果相符。我们还发现g-CoPt薄膜中偶极相互作用对磁斯格明子稳定性的重要作用，而g-DMI主要决定了磁斯格明子的手性。

图1. (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) g-DMI强度随有效梯度的变化。(c)和(d) 梯度为，厚度为20 nm和30 nm的拓扑霍尔曲线（蓝线）以及对应的MFM图像。

图2. (a) 磁斯格明子半径随外加磁场的变化关系。(b)磁斯格明子密度随外加磁场的变化关系。(c)磁斯格明子的畴壁倾角的模拟结果。(d) 磁斯格明子的横截面。

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。该工作

通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了器件制备工艺，该设备在光刻过程中具有优异的精确度与重复性。

论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202505204