多铁异质结中的磁性拓扑态

来源：X一MOL资讯

随着人工智能和物联网的快速发展，计算机的能耗将急剧地增加，这不仅造成能源浪费，也将限制器件的性能。因此发展高密度、高性能（快速读写）和低功耗的晶体管是未来科技发展的关键。近日，新加坡国立大学的陈景升实验室通过制备高质量的多铁异质结，实现了超小尺寸的磁性拓扑态。
磁性拓扑态（斯格明子）是具有拓扑保护的磁畴结构，因为具有小尺寸（<100 nm）和低的驱动电流密度，在未来的自旋电子学和高密度存储器件方面有很好的应用前景，受到了各个研究领域的广泛关注。目前发现的磁性拓扑态主要是有界面的DM（Dzyaloshinskii-Moriya）相互作用驱动而形成的，主要存在于超薄材料的界面和表面处，这为其未来的实际应用带了很大的挑战。研究发现界面DM相互作用随着材料厚度快速的下降是造成这种行为的根本原因。因此如何克服界面DM相互作用的限制是把界面磁性拓扑态扩展到体态的重要途径之一。

新加坡国立大学团队针对这一问题提出利用多铁材料中的多铁序（铁电序和反铁磁序）协同作用驱动磁性拓扑态的形成。应用激光分子束外延技术把多铁材料铁酸铋（BiFeO3）和磁性氧化物钌酸锶（SrRuO3）生长在一起，制备了高质量的多铁异质结。充分利用了BiFeO3铁电极化打破BiFeO3/SrRuO3界面上的对称性，形成了界面DM；再利用BiFeO3的反铁磁序与SrRuO3形成强的磁性耦合调控界面的磁组态。 

反常霍尔效应测试显示与磁性拓扑态相关的拓扑霍尔效应（THE）可以在40个单包厚的SrRuO3薄膜中出现，这远远扩展了纯铁电极化驱动的磁性拓扑态的厚度（5个单包）。中国科学院金属研究所功能材料与器件研究部代莹莹副研究员通过微磁学模拟深入的研究了铁电极化和反铁磁耦合等各项参数对多铁异质结中的磁性斯格明子影响，画出了磁性斯格明子的形成条件相图，从理论上证实了本研究提出的实验方案。值得说明的是，BiFeO3/SrRuO3异质结中的斯格明子的直径仅为20~30 nm，这在高密度存储器件方面有潜在的应用价值。本研究的实验方案可以直接推广到其他具有磁性耦合的异质结中。
这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者新加坡国立大学博士后王瀚和中科院金属研究所副研究员代莹莹。