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中韩科学家合作发现铁电可调谐的斯格明子,铁

来源:http://www.17930ip.com 作者:威尼斯城所有登入网址 时间:2020-03-13 15:48

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高密度、快速及低成本的数据存储是当今信息革命最重要的基础之一,大数据存储及分析需要科学家为下一代磁记忆设备寻找新的磁系统,以满足人们在存储密度和速度上的需要。磁性斯格明子是一种受拓扑保护的自旋结构,其纳米尺度、拓扑保护稳定性,以及能被极低功率的自旋极化电流所驱动的性质使其在未来自旋电子学领域的应用前景广阔,被普遍认为可能成为下一代磁存储器件中的理想数据存储单元。但要将磁性斯格明子这些引人注目的特性转化为实际的自旋电子器件,关键的挑战在于实现对其性质的有效控制,比如尺寸、密度和热力学稳定性等。

在数据存储密度和存储器件速度方面,我们正在达到硅功能的极限。潜在的下一代数据存储元件之一是磁性skyrmion。基础科学研究所(韩国IBS)内的相关电子系统中心的一个团队与中国科学技术大学合作,报告了小型和铁电可调谐的发现。在Nature Materials上发表,这项工作引入了新的引人注目的优势,使skyrmion研究更接近应用。

针对这一关键问题,在“大科学装置前沿研究”重点专项等的支持下,中国科学院合肥物质科学研究院陆轻铀研究组与韩国基础科学研究所、首尔国立大学Tae Won Noh、Lingfei Wang 研究组报告了在超薄BaTiO3/SrRuO3双层异质结构中发现铁电驱动的、高度可调谐的磁性斯格明子。研究人员使用自主研制的强磁场磁力显微镜,首次实现了对氧化物薄膜中斯格明子的直接观测,同时也测量了该体系中斯格明子的尺寸分布、密度变化及其微观动力学行为。此外,研究人员还实现了对斯格明子密度和热力学稳定性的局部、可切换和非易失性控制。相关研究成果近期发表《自然·材料》(Nature Materials)上。

设想将存储器存储在skyrmions上 - 旋转自旋的稳定磁扰动(磁矩) - 读取和写入将更快,消耗更少的能量,并且产生比当前使用的磁隧道结更少的热量。在未来的存储器和逻辑器件中,1和0位分别对应于磁性skyrmion的存在和不存在。尽管在实验室中已经发现了许多skyrmion系统,但是为我们的技术需求生产可控的纳米尺寸的skyrmion仍然是非常具有挑战性的。

该项研究不仅为人们深入理解氧化物薄膜中的斯格明子提供了实验基础,而且为人们从微观角度认识和操控斯格明子提供了参考,为设计基于斯格明子的、同时具有高集成性和可寻址性的功能器件指明了潜在方向。

在这项研究中,研究人员发现,直径小于100纳米的skyrmions自发形成超薄材料,由一层钛酸钡(BaTiO3)和一层钌酸锶(SrRuO3)组成。低于160开尔文(-113摄氏度),SrRuO3是铁磁性的,这意味着其自旋以平行方式均匀排列。然而,当两层重叠时,特殊的磁性相互作用会使SrRuO3的自旋旋转,从而产生磁性物质。通过使用磁力显微镜和霍尔测量,在80开尔文(-193摄氏度)以下检测到这种特殊的磁结构。

此外,通过操纵BaTiO3层的铁电极化,该团队能够改变skyrmions的密度和热力学稳定性。调制是非易失性的(当电源关闭时它会持续存在),可逆和纳米级。

磁性物质和铁电性是凝聚态物理学中的两个重要研究课题。它们通常是分开研究的,但我们将它们结合在一起,该研究的第一作者王玲飞解释说。这种相关性提供了一个理想的机会,可以将成熟的铁电设备的高可调性与skyrmions的优势集成到下一代存储器和逻辑器件中。

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