兰州大学与沙特阿卜杜拉国王科技大学利用氮化硅膜研究范德华铁磁体中斯格明子非常规螺旋度极化现象

兰州大学与沙特阿卜杜拉国王科技大学利用氮化硅膜研究

带有非常规螺旋度的斯格明子在范德瓦尔斯铁磁体里的极化

近期，沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）张西祥教授课题组与兰州大学材料与能源学院/兰州大学电镜中心彭勇教授课题组合作发现了磁性斯格明子（skyrmion）的非常规螺旋度极化现象，为未来新型磁性存储器的设计带来新的思路。该研究以“Magnetic Skyrmions with Unconventional Helicity Polarization in a Van Der Waals Ferromagnet”为题，发表在《Advanced materials》上。

KAUST博士生张晨辉、刘陈以及兰州大学青年研究员张森富为本文的共同第一作者。该研究工作得到了KAUST的资金支持和中国国家自然科学基金的资助。

▲实验分享：磁斯格明子中的螺旋度

通常，在中心对称的铁磁体中，螺旋度为−π/2和π/2的斯格明子在能量上简并，导致两种螺旋度的斯格明子在数量上相当。另一方面，在手性材料中Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）占主导，偶极相互作用可忽略不计，DMI的类型决定了斯格明子拥有单一的螺旋度取向。然而，这两种机制之间是否存在严格的界限仍然是一个悬而未决的问题。在这里，研究人员在范德华铁磁体Fe5−δGeTe2中观测到了斯格明子的非常规螺旋度极化现象。

▲实验分享

结合磁学测量、洛伦兹透射电子显微镜、电输运测量和微磁学模拟，研究人员发现Fe5−δGeTe2中短程的超结构导致了局部的DMI，这打破了相反螺旋度斯格明子的能量简并，导致了螺旋度的极化，即一种螺旋度的斯格明子数量远远多于另外一种。因此，Fe5−δGeTe2中斯格明子的的螺旋度受偶极相互作用和DMI共同影响，前者导致螺旋度为±π/2的Bloch型斯格明子的形成，而后者导致了螺旋度极化的现象。这项工作为范德华材料中斯格明子的拓扑行为提供了新的见解。

▲原位芯片提供氮化硅膜窗口

原位芯片（YW MEMS (Suzhou) Co., Ltd）自主研发生产的氮化硅薄膜窗口被用衬底层，利用耐高温、表面导热的特性。在保证平整、洁净的质量要求前提下，将二维范德华铁磁体薄片转移至氮化硅薄膜窗口，进行了在洛伦兹透射电子显微镜下观测斯格明子的实验。