孟康康 趙旭鵬 苗君 徐曉光 趙建華 姜勇

1)(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083)

2)(中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083)

在鐵磁/非磁金屬異質(zhì)結(jié)中,界面處的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用會(huì)誘導(dǎo)諸如磁性斯格明子等手性磁疇壁結(jié)構(gòu)的形成.當(dāng)巡游電子通過手性磁疇壁結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)獲得一個(gè)貝里相位,而相應(yīng)的貝里曲率則等效于一個(gè)外磁場,它將誘導(dǎo)額外的霍爾效應(yīng),即拓?fù)浠魻栃?yīng).拓?fù)浠魻栃?yīng)是當(dāng)前磁性斯格明子和自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一.本文由實(shí)空間貝里相位出發(fā),簡要介紹了拓?fù)浠魻栃?yīng)的物理機(jī)制;然后著重討論了鐵磁/非磁金屬異質(zhì)結(jié)中的拓?fù)浠魻栃?yīng),包括磁性多層膜中和MnGa/重金屬雙層膜中的拓?fù)浠魻栃?yīng).這兩種結(jié)構(gòu)都可以通過改變材料的厚度、種類、生長方式等調(diào)控界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,從而有效地調(diào)控磁性斯格明子和拓?fù)浠魻栃?yīng).

1 引 言

磁性斯格明子是一種具有非平庸拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)的準(zhǔn)粒子,因其結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定,有望作為未來存儲(chǔ)器件中的信息載體,而且磁性斯格明子的出現(xiàn)理論上能夠降低電流驅(qū)動(dòng)磁疇壁運(yùn)動(dòng)所需的電流密度,因此可以進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展以自旋為基礎(chǔ)的信息處理和存儲(chǔ)技術(shù)[1].磁性斯格明子的形成有多種物理機(jī)制,其中由自旋軌道耦合引起的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DM相互作用)是誘發(fā)磁性斯格明子的最普遍來源[2,3].早期的磁學(xué)研究認(rèn)為海森伯交換作用決定了磁性材料的基態(tài)性質(zhì),其強(qiáng)度表達(dá)式為J12S1·S2,J12是交換系數(shù),S1和S2是相鄰兩個(gè)格點(diǎn)的自旋矢量,J12決定了相鄰磁矩成平行或反平行排列.事實(shí)上,自旋軌道耦合會(huì)導(dǎo)致各向異性交換作用的出現(xiàn),這種各向異性交換作用被稱作DM相互作用,其表達(dá)式為D12·(S1×S2),D12是DM相互作用系數(shù),其大小和方向依賴于多種因素,包括電子波函數(shù)的具體表達(dá)形式、材料的對(duì)稱性和晶體結(jié)構(gòu)[4,5]等.DM相互作用通常出現(xiàn)在中心反演對(duì)稱性發(fā)生破缺的體系比如B20結(jié)構(gòu)的手性材料中,或者是界面反演對(duì)稱性破缺的磁性異質(zhì)結(jié)當(dāng)中[6].當(dāng)DM相互作用對(duì)整體的磁性能的貢獻(xiàn)足可以和海森伯交換作用以及磁各向異性能等相比較時(shí),磁性斯格明子就可以在鐵磁材料背景中形成來降低總的磁性能并保持磁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定.圖1(a)簡要描述了基于磁性金屬和強(qiáng)自旋軌道耦合金屬組成的異質(zhì)結(jié)中界面處的DM相互作用,襯底含有強(qiáng)自旋軌道耦合的重原子,D12的方向沿異質(zhì)結(jié)界面指向外面[7].此時(shí),在這種異質(zhì)結(jié)中將形成如圖1(b)所示的Néel型磁性斯格明子[8]:中心的自旋向下,周圍的自旋沿垂直于徑向的面內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)π角,最終在邊界處自旋指向向上.當(dāng)巡游電子通過磁性斯格明子時(shí),會(huì)獲得一個(gè)貝里相位,而相應(yīng)的貝里曲率則等效于一個(gè)外磁場,它將誘導(dǎo)額外的霍爾效應(yīng)——拓?fù)浠魻栃?yīng).

拓?fù)浠魻栃?yīng)是研究DM相互作用的有效手段,并且能夠在一定條件下間接地證明磁性斯格明子的存在.在非中心對(duì)稱的B20結(jié)構(gòu)MnSi[9],MnGe等[10]材料中,由于空間反演對(duì)稱性的破缺,材料中的DM相互作用有利于磁矩手性排列從而產(chǎn)生磁性斯格明子以及拓?fù)浠魻栃?yīng),如圖2所示[10].

但是,這類材料體系中的磁性斯格明子和拓?fù)浠魻栃?yīng)多數(shù)依賴于低溫和強(qiáng)磁場條件,不利于拓?fù)浠魻栃?yīng)物理機(jī)制的研究以及磁性斯格明子的實(shí)際應(yīng)用.與此不同的是,近年來研究者們把目光投到由鐵磁性和非磁性金屬組成的異質(zhì)結(jié)上,希望可以通過改變材料的種類、厚度、界面、表面、周期等條件在室溫下調(diào)制磁性斯格明子的密度、大小和穩(wěn)定性,以期構(gòu)建高密度、高速度、低能耗磁存儲(chǔ)器件[11?14].然而,需要指出的是拓?fù)浠魻栃?yīng)并不僅僅來源于DM相互作用,一些具有標(biāo)量自旋手性結(jié)構(gòu)的磁體中也會(huì)引起拓?fù)浠魻栃?yīng)[15,16].本文以實(shí)空間中的貝里相位為出發(fā)點(diǎn),只著重介紹近年來在鐵磁/非磁金屬異質(zhì)結(jié)中由界面DM相互作用導(dǎo)致的拓?fù)浠魻栃?yīng).

圖1 (a)鐵磁/非磁金屬異質(zhì)結(jié)界面處的DM相互作用[7];(b)Néel型磁性斯格明子的自旋結(jié)構(gòu),當(dāng)一個(gè)巡游電子通過這個(gè)磁性斯格明子時(shí),自旋的方向旋轉(zhuǎn)了2π并因此獲得了一個(gè)貝里相位而產(chǎn)生拓?fù)浠魻栃?yīng)[8]Fig.1.(a)Sketch of a DM interaction at the interface of ferromagnetic metal/non-ferromagnetic metal heterojunctions[7];(b)the spin texture of a Néel-type skyrmion,when the a electron traverses it,the electron spin undergoes a 2π rotation,and the Berry phase accumulated results in the topological Hall effect[8].

圖2 (a)MnGe中拓?fù)浠魻栯娮杪孰S磁場的變化關(guān)系;(b)拓?fù)浠魻栯娮杪试跍囟群痛艌銎矫嫔系牡戎稻€圖,白線代表矯頑力隨溫度的變化[10]Fig.2.(a)Magnetic- field dependence of topological Hall resistivity;(b)a contour map ofin the plane of temperature and magnetic field.The white curve rep resents the temperature variation of the critical field,at which the ferromagnetic spin-collinear state is realized[10].

2 實(shí)空間貝里相位

在哈密頓量H(t)含時(shí)的體系中,H(t)通過參量R(t)隨時(shí)間變化,例如R(t)可以是隨時(shí)間變化的外磁場B(t)或者外電場E(t),R(t)張開一個(gè)參數(shù)空間,則H(R(t))隨參量R(t)而變化.此時(shí)薛定諤方程的絕熱近似解可以表示成

若令an(t)=eiβn(t),βn(t)即為貝里相位. 設(shè)R(t)做周期變化,τ為周期,則βn(τ)是參數(shù)空間中沿閉合曲線C的積分可以表示為

βn(τ)可記為βn(C),利用斯托克斯定理,(2)式可改記為

An(R)可看成參數(shù)R空間的矢勢(shì),稱作貝里聯(lián)絡(luò);Bn(R)=×An(R)可看成參數(shù)空間中的“磁場強(qiáng)度”,即所謂的貝里曲率.當(dāng)R空間為動(dòng)量空間,在有自旋軌道耦合的磁性金屬中,由于破壞了時(shí)間反演對(duì)稱性,貝里曲率不可被忽視,它貢獻(xiàn)一個(gè)橫向的反常速度,并最終導(dǎo)致了在沒有任何外加磁場的情況下的內(nèi)秉反?；魻栃?yīng)的出現(xiàn).而對(duì)于一個(gè)在空間或時(shí)間上分布不均勻且結(jié)構(gòu)平滑的磁結(jié)構(gòu),當(dāng)一個(gè)自由電子穿過這個(gè)磁結(jié)構(gòu)時(shí)就產(chǎn)生了一個(gè)典型的實(shí)空間貝里相位[17].此時(shí),薛定諤方程可以表示為

σ為泡利矩陣矢量,m(r,t)是磁矩的單位矢量.由于m(r,t)隨空間和時(shí)間變化,可以首先將量子化軸的方向由(ez)旋轉(zhuǎn)至平行于有著確定(r,t)的m方向,波函數(shù)可以寫作θ是旋轉(zhuǎn)角度,n=是旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸,將(4)式左乘U+,則(4)式可以寫成

±代表自旋向上和自旋向下;下角標(biāo)(i,j,k)代表空間坐標(biāo)(x,y,z);εijk是反對(duì)稱單位張量.等效磁場Bi包含了磁結(jié)構(gòu)的信息,直接導(dǎo)致一個(gè)額外霍爾信號(hào)的產(chǎn)生,這個(gè)額外的霍爾效應(yīng)即被稱作拓?fù)浠魻栃?yīng).此時(shí),材料體系中總的霍爾電阻率可以表示為[9]

其中R0是正?；魻栂禂?shù),ρA是反常霍爾電阻率,ρT是拓?fù)浠魻栃?yīng)的貢獻(xiàn).ρA與材料的磁矩成正比,具體系數(shù)可以通過反?；魻栯娮杪屎涂v向電阻率的函數(shù)關(guān)系得到.當(dāng)外加磁場B足夠大時(shí),手性磁結(jié)構(gòu)消失,ρT為零,此時(shí)霍爾效應(yīng)完全來源于材料的鐵磁性質(zhì).

3 磁性多層膜結(jié)構(gòu)中的拓?fù)浠魻栃?yīng)

在由超薄磁性金屬和強(qiáng)自旋軌道耦合金屬組成的多層膜結(jié)構(gòu)中,由于界面反演對(duì)稱性破缺,界面或者表面將產(chǎn)生DM相互作用從而誘導(dǎo)出Néel型磁性斯格明子[6].此時(shí),磁疇壁的能量包含了DM相互作用,可以表示為,A是交換作用強(qiáng)度,K是磁各向異性能,D是DM相互作用強(qiáng)度.由此式可以推斷,需要降低σ的大小以得到盡可能穩(wěn)定的非平庸拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu),如果將σ等于零作為限制條件就會(huì)得到臨界DM相互作用強(qiáng)度由此,在這種異質(zhì)結(jié)中,如果希望得到穩(wěn)定的磁性斯格明子和拓?fù)浠魻栃?yīng),問題就集中在如何提高DM相互作用強(qiáng)度或者降低臨界DM相互作用強(qiáng)度.為了增強(qiáng)界面處的有效DM相互作用,實(shí)驗(yàn)上通常采用的方法是將超薄鐵磁性金屬上下表面都與強(qiáng)自旋軌道耦合金屬接觸,例如在Pt/Co/Ta和Ir/Co/Pt等多層膜結(jié)構(gòu)中,可以在室溫下觀測(cè)到大小為50—100 nm左右的磁性斯格明子[11].因?yàn)镕e/Ir和Co/Pt界面處均具有較強(qiáng)的DM相互作用,Soum yanarayanan等[8]研究了Ir/Fe/Co/Pt多層膜中的可調(diào)控的磁性斯格明子和拓?fù)浠魻栃?yīng).利用Yang等[14]建立的模型,通過第一性原理計(jì)算得到Ir/Fe/Co/Pt多層膜結(jié)構(gòu)中Fe/Co不同厚度下的DM相互作用強(qiáng)度,如圖3所示.有效DM相互作用強(qiáng)度DDFT與總原子DM相互作用強(qiáng)度dtot關(guān)系為,其中a是晶格常數(shù),NF代表磁性層數(shù)量.可以發(fā)現(xiàn),DDFT在Fe和Co均為1 M L時(shí)的結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了一個(gè)非常明顯的峰值,驗(yàn)證了如果結(jié)構(gòu)中包含Co/Pt和Fe/Ir兩種界面可以有效地增強(qiáng)整體的DM相互作用[8].

圖3 (a)用于理論計(jì)算的Ir[3]/Fe[1]/Co[2]/Pt[3]結(jié)構(gòu)中的原子配置示意圖,單位為 ?;(b),(c)表示Ir[3]/Fe[a]/Co[b]/Pt[3]結(jié)構(gòu)中總的DM相互作用強(qiáng)度d to t和有效DM相互作用強(qiáng)度D D FT隨Fe/Co組分不同而發(fā)生的變化[8]Fig.3.(a)Schematic atomic conguration of a representative multilayer stack,Ir[3]/Fe[1]/Co[2]/Pt[3],used for abinitio density functional theory calculations,the relaxed interlayerd istances(in ?)are indicated on the left;(b),(c)total atomic DMI strength d to t and effective DMI strength D D FT in Ir[3]/Fe[a]/Co[b]/Pt[3]stacks with varying Fe/Co composition(number of atomic layers in braces).

由此理論計(jì)算結(jié)果,實(shí)驗(yàn)上通過改變鐵磁層Fe/Co的比例和厚度,可以控制多層膜結(jié)構(gòu)中的DM相互作用的強(qiáng)度、磁各向異性能、交換作用能等,從而可以調(diào)制磁性斯格明子的大小、密度以及拓?fù)浠魻栃?yīng)等.另一方面,通過控制上述參量,也可以有效地降低臨界DM相互作用強(qiáng)度Dc,當(dāng)DM相互作用強(qiáng)度滿足D>Dc時(shí),就可以得到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的磁性斯格明子,這對(duì)實(shí)際的技術(shù)應(yīng)用至關(guān)重要.

拓?fù)浠魻栃盘?hào)可以由總的霍爾信號(hào)減去正常和反?；魻栃盘?hào),后兩項(xiàng)之和可以表示為由此看出,需要首先得到正?；魻栂禂?shù)R0、磁化曲線M(B)和反?；魻栂禂?shù)RS,才能最后得到拓?fù)浠魻栃?yīng)的貢獻(xiàn).正?；魻栂禂?shù)可根據(jù)總的霍爾信號(hào)很容易地得出,圖4(b)給出了Ir/Fe(0.2 nm)/Co(0.6 nm)/Pt多層膜的磁化曲線.反常霍爾系數(shù)RS包含了外稟機(jī)制(sidejumps scattering和skew scattering)和內(nèi)秉機(jī)制,需要通過測(cè)量反?；魻栯娮杪屎涂v向電阻率,然后擬合二者之間的關(guān)系才能得到.圖4(c)給出了Ir/Fe(0.2 nm)/Co(0.6 nm)/Pt多層膜總的霍爾電阻率、縱向電阻率、擬合得到的,由此可以得到拓?fù)浠魻栯娮杪?如圖4(d)所示.將拓?fù)浠魻栃?yīng)信號(hào)與磁力顯微鏡的結(jié)果相比較,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場很大時(shí)磁性斯格明子湮滅,只有普通磁疇壁存在以及相應(yīng)的反?；魻栃盘?hào)的貢獻(xiàn),此時(shí)拓?fù)浠魻栃?yīng)消失.但是,當(dāng)磁場減小至80 mT時(shí),拓?fù)浠魻栃盘?hào)非常明顯(對(duì)應(yīng)曲線中的峰值),這是由磁性斯格明子在這個(gè)磁場下的穩(wěn)定存在導(dǎo)致的.如果繼續(xù)減小磁場,則普通磁疇壁和磁性斯格明子同時(shí)存在,拓?fù)浠魻栃?yīng)信號(hào)減小.總之,上述拓?fù)浠魻栃?yīng)可以歸結(jié)于磁性多層膜結(jié)構(gòu)中的Néel型磁性斯格明子的形成.最后,根據(jù)拓?fù)浠魻栃?yīng)和磁力顯微鏡的結(jié)果推算出的DM相互作用強(qiáng)度D確實(shí)在Fe/Co特定組分下存在著一個(gè)最大值,如圖4(g)所示,與理論預(yù)期相同,即Co/Pt和Fe/Ir兩界面可以有效地增強(qiáng)整體的DM相互作用.

圖4 (a)Ir/Fe/Co/Pt多層膜中的DM相互作用示意圖;(b)室溫下Ir/Fe(0.2 nm)/Co(0.6 nm)/Pt多層膜面外和面內(nèi)的磁化曲線;(c)室溫下該多層膜的霍爾效應(yīng)以及縱向電阻曲線;(d)室溫下拓?fù)浠魻栃盘?hào)與磁疇結(jié)構(gòu)的對(duì)照[8];(e)—(f)分別給出了根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出的磁各向異性能K,交換作用強(qiáng)度A和DM相互作用強(qiáng)度DFig.4.(a)Sketch of a DM interaction in the Ir/Fe/Co/Pt multilayers;(b)hysteresis loops for the out-of-plane and in-plane magnetizations of the Ir/Fe(0.2 nm)/Co(0.6 nm)/Pt multilayers at 300 K;(c)total Hall resistivities and longitude resistivities in this multilayers at 300 K;(d)topological Hall resistivities and M FM images in this multilayers at 300 K;(e)–(f)the variation of magnetic interactions K,A and D across the samples studied in this work[8].

值得指出的是,拓?fù)浠魻栃?yīng)和磁性斯格明子的尺寸、密度相關(guān),Maccariello等[20]探測(cè)了多層膜結(jié)構(gòu)Ta(5)/Pt(10)/[Co(0.8)/Ir(1)/Pt(1)]20/Pt(3)(單位:nm)中由單個(gè)磁性斯格明子導(dǎo)致的霍爾效應(yīng)的變化.如圖5(a)所示,將霍爾效應(yīng)的測(cè)量和MFM的測(cè)量實(shí)時(shí)聯(lián)合起來,即通入脈沖電流之后觀測(cè)同一樣品區(qū)域的霍爾信號(hào)和MFM信號(hào).圖5(b)表示在寬度為400 nm的器件中,通入電流密度大小為2.5×1011A·m?2,脈寬為80 ns的脈沖電流之后,形成了單個(gè)磁性斯格明子,霍爾信號(hào)也發(fā)生了改變.然而,霍爾信號(hào)的改變被證明幾乎完全來自于反常霍爾效應(yīng),拓?fù)浠魻栃?yīng)的貢獻(xiàn)幾乎為零.不同于B20結(jié)構(gòu)中高密度的磁性斯格明子導(dǎo)致的高等效磁場,這種多層膜結(jié)構(gòu)中的磁性斯格明子密度很低,拓?fù)浠魻栃?yīng)的貢獻(xiàn)相對(duì)于反?；魻栃?yīng)較小.另一方面,由于電子的平均自由程遠(yuǎn)小于磁性斯格明子的尺寸而且金屬多層膜結(jié)構(gòu)中載流子密度很大,拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)對(duì)總的霍爾效應(yīng)的影響會(huì)減弱.

圖5 (a)電學(xué)和M FM測(cè)量示意圖;(b)器件SEM圖;(c)尺寸為80 nm的磁性斯格明子的STXM輪廓圖;(d)通入脈沖電路后,單個(gè)磁性斯格明子的形成和導(dǎo)致的霍爾信號(hào)改變[20]Fig.5.(a)Scheme of the experimental set-up for electrical measurements integrated in an MFM;(b)variation in Hall due to a single skyrmion[20].

4 MnGa/重金屬異質(zhì)結(jié)中的拓?fù)浠魻栃?yīng)

過去幾年中,我們?cè)诨诖怪贝鸥飨虍愋越饘費(fèi)nGa和強(qiáng)自旋軌道耦合金屬組成的雙層膜中的反常霍爾效應(yīng)和自旋軌道轉(zhuǎn)矩方面取得了一些進(jìn)展[21,22].自旋軌道轉(zhuǎn)矩的有效應(yīng)用需要盡可能地降低翻轉(zhuǎn)電流密度,而自旋軌道轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)普通磁疇壁運(yùn)動(dòng)的臨界電流密度太大,一般在107A·cm?2左右,而磁性斯格明子的出現(xiàn)則是給自旋軌道轉(zhuǎn)矩的實(shí)際應(yīng)用帶來了曙光.理論上,這種非平庸拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)將使得自旋軌道轉(zhuǎn)矩的翻轉(zhuǎn)電流密度降低5—6個(gè)數(shù)量級(jí).另一方面,Belabbes等[23]通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn),在由3d過渡族金屬和5d過渡族金屬組成的異質(zhì)結(jié)中,界面處的軌道雜化以及依賴于洪德定則的3d殼層電子的排列方式直接決定了DM相互作用的大小和符號(hào).電子占據(jù)態(tài)和非占據(jù)態(tài)之間的自旋跳躍對(duì)DM相互作用至關(guān)重要,而在Mn原子中電子在3d殼層的排列是半滿狀態(tài),這些狀態(tài)之間所有可能的躍遷都將貢獻(xiàn)于DM相互作用,因此Mn原子與5d過渡族金屬界面處的DM相互作用最強(qiáng).

基于這些原因,我們研究了MnGa/Ta和MnGa/Pt異質(zhì)結(jié)中的拓?fù)浠魻栃?yīng).首先采用分子束外延的手段制備了垂直磁各向異性金屬M(fèi)nGa,厚度約4 nm,通過改變溫度等生長條件可以控制MnGa的飽和磁化強(qiáng)度Ms和有效各向異性場Hk的大小,由此就可以調(diào)制磁各向異性能K=MsHk/2的大小,并最終盡可能降低臨界DM相互作用強(qiáng)度這里假設(shè)材料內(nèi)的交換作用能A保持不變[24].我們對(duì)比了三組樣品,分別表示為Sample A,B和C,具體參數(shù)列于表1.可以看出,Sample B的臨界DM相互作用強(qiáng)度最小.

表1 三組樣品的飽和磁化強(qiáng)度M s,有效各向異性場H k,磁各向異性能K和臨界DM相互作用強(qiáng)度D c[24]Table 1.Saturation magnetization M s,the anisotropy field H k,uniaxial PMA constant K,the critical DMI energy constant D c of the three sam ples[24].

然后,利用磁控濺射在Sample B上面沉積不同厚度(2和5 nm)的Pt和Ta薄膜.最后,將上述異質(zhì)結(jié)加工成霍爾器件,探測(cè)5—300 K溫度區(qū)間內(nèi)的電輸運(yùn)性質(zhì).由圖6(a)和圖6(b)可以發(fā)現(xiàn),單層MnGa具有明顯的垂直磁各向異性,也表現(xiàn)出與以往研究結(jié)果相似的反?；魻栃?yīng)[21].在沉積了重金屬Pt和Ta之后,總的霍爾信號(hào)里出現(xiàn)了拓?fù)浠魻栃?yīng)的貢獻(xiàn),如圖6(c)—(f)所示.

圖6 (a)室溫下單層M n Ga面外和面內(nèi)的磁化曲線;(b)室溫下單層M n Ga的總霍爾效應(yīng)曲線;(c)—(f)室溫下M n Ga/Pt和MnGa/Ta的總霍爾效應(yīng)曲線[24]Fig.6.(a)Hysteresis loops for the ou t-of-plane and in-plane magnetizations of the single MnGa filmat 300 K;(b)total Hall resistivities in the single MnGa filmat 300 K;(c)–(f)total Hall resistivities in the MnGa/Pt and MnGa/Ta films at 300 K[24].

根據(jù)(8)式,為了得到單一的拓?fù)浠魻栃?yīng)信號(hào),總霍爾信號(hào)需要減去正常霍爾和反?；魻栃?yīng)的貢獻(xiàn). 反?；魻栯娮杪士梢员硎緸镸是磁化強(qiáng)度,ρxx是縱向電阻率,ρxx0是剩余電阻率,α和b是系數(shù).根據(jù)反?；魻栃?yīng)的形成機(jī)制,式中的第一項(xiàng)代表了外稟機(jī)制,第二項(xiàng)代表的是內(nèi)秉機(jī)制.由此,通過測(cè)量磁化強(qiáng)度和縱向電阻率隨磁場的變化關(guān)系,可以得出ρA隨磁場的變化關(guān)系.圖7給出了5—300 K溫度區(qū)間內(nèi)MnGa/Pt和MnGa/Ta中單一的拓?fù)浠魻栃盘?hào).可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)均具有很強(qiáng)的拓?fù)浠魻栃盘?hào),MnGa/Ta中ρT的大小更高達(dá)約3μ?·cm,這要遠(yuǎn)大于前述Ir/Fe/Co/Pt多層膜中的ρT.另一方面,與非中心對(duì)稱的B20結(jié)構(gòu)手性磁體中的拓?fù)浠魻栃?yīng)相比,MnGa/重金屬異質(zhì)結(jié)中的拓?fù)浠魻栃盘?hào)并不依賴于低溫,這預(yù)示著這種異質(zhì)結(jié)中的斯格明子更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

拓?fù)浠魻栃?yīng)是由實(shí)空間的等效磁場Beff誘導(dǎo)產(chǎn)生,ρT可以表達(dá)成P是傳導(dǎo)電子的自旋極化率,?0=h/e是單一的磁通量子,是磁性斯格明子的密度,每個(gè)磁性斯格明子可以產(chǎn)生一個(gè)量子突發(fā)的磁通量.基于室溫下MnGa/Pt和MnGa/Ta中的ρT,可以得到相應(yīng)的磁性斯格明子的密度分別為800μm?2和10000μm?2,而二者磁性斯格明子之間的距離分別是35 nm和10 nm. 最近,Thiaville等[18,19]通過微磁模擬手段證明,在具有垂直磁各向異性的超薄磁性金屬和強(qiáng)自旋軌道耦合金屬組成的異質(zhì)結(jié)中,由于界面處的DM相互作用,原本鐵磁性金屬中的Bloch型磁疇壁最終轉(zhuǎn)變成具有固定手性的Néel型磁疇壁,并且磁疇壁的尺寸近似為不變.這里同樣可以解釋MnGa/Pt和MnGa/Ta中的磁性斯格明子為Néel型.而且,MnGa/Pt和MnGa/Ta中磁性斯格明子的尺寸均與單層MnGa中的大小相同(4.47 nm),只是磁性斯格明子的密度或者說間距不同.然而,需要注意的是,上面把單個(gè)的磁性斯格明子看作量子磁通的模型過于簡單,只能對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做定性的認(rèn)識(shí).

圖7 5—300 K溫度區(qū)間內(nèi)MnGa/Pt和MnGa/Ta的拓?fù)浠魻栃?yīng)曲線[24]Fig.7.Topological Hall resistivities in the MnGa/Pt and Mn Ga/Ta films in the temperature range 5–300 K[24].

圖8 Sample C/Pt(5 nm)異質(zhì)結(jié)的自旋軌道轉(zhuǎn)矩效應(yīng),外加面內(nèi)輔助磁場B x為0.1 T[24]Fig.8.Spin orbit torque in sample C/Pt(5 nm)bilayers,the applied in plane external field B x is 0.1 T[24].

需要指出的是,雖然磁性斯格明子可以被自旋軌道轉(zhuǎn)矩所驅(qū)動(dòng),其特殊的磁結(jié)構(gòu)理論上可以大大降低翻轉(zhuǎn)電流密度,但在實(shí)驗(yàn)中我們并沒有觀測(cè)到基于Sample B,即拓?fù)浠魻栃?yīng)最為明顯的MnGa樣品的自旋軌道轉(zhuǎn)矩.即便是觀測(cè)到了基于Sample C的自旋軌道轉(zhuǎn)矩,如圖8所示,其翻轉(zhuǎn)電流密度與我們之前的研究工作相比并沒有降低很多[21,22],而且并沒有實(shí)現(xiàn)磁矩的完全翻轉(zhuǎn).另一方面,一般情況下界面DM相互作用起源于體系中的大的自旋軌道耦合和空間反演對(duì)稱性破缺,而我們?cè)谘芯縈nGa/重金屬這種異質(zhì)結(jié)中的拓?fù)浠魻栃?yīng)時(shí),發(fā)現(xiàn)強(qiáng)自旋軌道耦合在這種異質(zhì)結(jié)中的作用更大,而MnGa的厚度大概在4 nm,空間反演對(duì)稱破缺的作用并不大.基于以上原因,MnGa/重金屬這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的拓?fù)浠魻栃?yīng)和自旋軌道轉(zhuǎn)矩還需要更進(jìn)一步的研究,這也是我們正在進(jìn)行的工作.

5 總 結(jié)

實(shí)空間貝里相位導(dǎo)致的拓?fù)浠魻栃?yīng)是對(duì)磁性斯格明子拓?fù)湫再|(zhì)的有效實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.在由磁性金屬和強(qiáng)自旋軌道耦合金屬組成的異質(zhì)結(jié)中,可以通過改變材料的厚度、種類、生長方式等有效地調(diào)控DM相互作用,從而調(diào)控磁性斯格明子和拓?fù)浠魻栃?yīng).而且,如果鐵磁/非磁金屬異質(zhì)結(jié)具有垂直磁各向異性,則其內(nèi)部形成的Néel型磁性斯格明子可以被自旋軌道轉(zhuǎn)矩所驅(qū)動(dòng),其特殊的磁結(jié)構(gòu)理論上可以大大降低翻轉(zhuǎn)電流密度,具有重要的應(yīng)用價(jià)值.值得注意的是,較強(qiáng)的拓?fù)浠魻栃?yīng)信號(hào)原則上可以看作是對(duì)磁性斯格明子的電學(xué)讀取,對(duì)基于磁性斯格明子的自旋電子學(xué)同樣有著重要意義.