电场诱导磁性斯格明子的多拓扑态、非易失翻转

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磁斯格明子是一种具有手性涡旋组态的纳米磁畴结构。由于它具有拓扑保护性、低理论驱动电流密度以及对磁场、温度、电流、应力等多物理场灵敏响应的特性，被认为是构建未来高密度、高速度、低能耗存储器件的理想信息载体。 

目前，斯格明子存储器件的设计主要基于自旋极化电流驱动磁性多层膜结构中斯格明子的产生、消失以及连续运动。然而，该结构中缺陷间隔往往小于斯格明子尺寸，这使得斯格明子受缺陷钉扎作用较强，所需的调控电流密度(10⁵-10⁷A/cm²)远大于理论值，器件能耗依然较高。因此，如何降低斯格明子存储器件的能耗成为该领域亟需解决的科学问题。目前，众多努力希望通过电场代替电流驱动斯格明子的磁翻转，从而大幅降低能耗。然而，如何实现斯格明子的可控、非易失性的拓扑态翻转依旧是个难题。 

近日，来自华南师范大学华南先进光电子研究院先进材料研究所的侯志鹏副研究员、高兴森教授联合北京科技大学冯春教授和于广华教授、香港中文大学深圳分校周艳教授和张溪超博士、天津大学米文博教授、华南师范大学周国富教授、中科院物理所吴光恒研究员和王文洪研究员、沙特阿卜杜拉国王科技大学张西祥教授以及南京大学刘俊明教授，在Nature Communications上发表题为“Electric-field-driven Non-volatile Multi-state Switching of Individual Skyrmions in a Multiferroic Heterostructure”的研究论文。论文报道了在纳米多铁异质结中成功实现了电场诱导单个磁斯格明子的非易失、多态翻转，为设计未来基于斯格明子的低能耗自旋电子学器件迈出一步。

图1: a. Pb(Mg_1/3N_2/3)O₃-PbTiO₃单晶与[Pt/Co/Ta]_n纳米岛组成的铁电/铁磁多铁异质结器件示意图；b.多铁异质结纳米岛阵列结构；c.异质结横截面结构图；d.不施加外电场时磁畴拓扑状态随纳米岛直径的变化而改变。

在本工作中，作者首先制备了基于压电单晶Pb(Mg_1/3N_2/3)O₃-PbTiO₃与[Pt/Co/Ta]_n纳米岛组成的铁电/铁磁多铁异质结，其中纳米岛的尺寸效应使得磁斯格明子可在零磁场中稳定。在铁电衬底施加电压后，随着电压大小改变，在纳米岛上会诱导驱动条纹畴-斯格明子-涡旋态等三态转变。由于该结构基于电场调控，其能耗相较于电流调控大大降低。并且这种调控是非易失的，可以直接通过施加脉冲电场的方式来实现任意两态间的切换，而无需施加辅助磁场，非常有利于实际应用。作者进一步通过磁性测量和微磁学模拟发现，电压驱动不同磁畴态的转变起源于应力对铁磁层磁各向异性以及Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用的调控。本研究展示了利用铁电/铁磁多铁异质结，构筑低能耗、非易失、多态的磁斯格明子存储器件的可能性。

图2: 两种不同层数的[Pt/Co/Ta]_n磁纳米岛中电压调控斯格明子变化：a. 随电压变化[Pt/Co/Ta]₁₂纳米岛中出现条纹畴-斯格明子的二态转换; b. 随电压变化 [Pt/Co/Ta]₈纳米岛中出现条纹畴-斯格明子-面内涡旋畴等三态转变。

华南师范大学侯志鹏和高兴森、北京科技大学冯春为论文共同通讯作者，华南师范大学研究生王亚栋为论文第一作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、广州市科委、深圳市科委等项目支持。

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