今日Science Advances: 范德瓦尔斯材料中构建零场斯格明子

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磁性斯格明子是一种拓扑自旋结构，它通常存在于非中心对称的材料中。在非中心对称材料中，晶体的反演对称破缺会导致一种Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI相互作用)，从而产生稳定的磁性斯格明子。然而，反演对称破缺的要求导致磁性斯格明子在许多重要的磁性体系中无法存在，这其中就包括最近发展起来的二维范德瓦尔斯铁磁材料。

2017年，科学家发现二维范德瓦尔斯磁性材料（Cr₂Ge₂Te₆和CrI₃）中具有本征磁长程有序。这一发现为自旋电子学的基础研究和应用开辟了新的研究领域。然而，目前已知的大部分范德瓦尔斯铁磁材料都是具有反演对称特性的，因而不能产生DMI相互作用。于是能否通过其他方式在中心对称的范德瓦尔斯材料中构建磁性斯格明子，是二维范德瓦尔斯磁性材料研究中的一个重要课题。

最近，来自加州大学伯克利分校的一个实验组在Fe₃GeTe₂范德瓦尔斯磁性材料的研究中取得新的重要进展。通过建立Fe₃GeTe₂与(Co/Pd)n多层膜之间的磁性耦合，他们在Fe₃GeTe₂中成功地构造了零磁场下的磁性斯格明子。这一研究结果将斯格明子体系扩展到新型二维范德瓦尔斯材料范畴，为未来构建纳米尺度的拓扑自旋电子学器件提供了新的材料体系。该研究结果以“Creation of skyrmions in van der Waals ferromagnet Fe₃GeTe₂ on (Co/Pd)n superlattice”为题发表在今日的Science Advances上。

Fe₃GeTe₂（FGT）作为一种新型二维范德瓦尔斯铁磁材料，其居里转变温度大约在230K左右。并且，FGT的居里转变温度可以通过Ga离子调控到室温以上（Adv. Quantum Technol. 3, 2000017 (2020)）。之前的研究表明，通过聚焦离子束刻蚀技术将FGT材料刻蚀成菱形结构，FGT的磁畴结构会由低温下的面外条状磁畴结构转变成高温面内涡旋磁畴结构（Nano Lett.18, 5974 (2018)）。

这一独特的性质使得FGT成为构建磁性斯格明子的理想材料。然而，除了一些理论结果以外，目前在范德瓦尔斯材料中的斯格明子都是在外界面外磁场的诱导下产生的。并且，产生的斯格明子为Bloch型还是Néel型依然存有很大争议。这就导致了对磁场下形成斯格明子的物理机制的探讨：斯格明子的形成是材料的内禀属性还是由于外磁场的诱导作用。因此，要想解决这个问题，必须要在零磁场下构建作为基态存在的斯格明子。因此，本文就在零磁场下，在FGT/（Co/Pd)₁₀异质结上构建了Néel型磁性斯格明子，并且揭示了斯格明子的形成原因是由于磁性界面耦合相互作用。

图1. 晶体结构和元素分辨的XMCD测量。（A）FGT的晶体结构。（B）高分辨选区TEM图像和相应的（001）和（110）取向的电子衍射图样。（C）(Co/Pd)n多层膜（Co吸收边）和FGT（Fe吸收边）的吸收谱和XMCD信号。（D）(Co/Pd)n多层膜和FGT的面内面外磁滞回线，表明(Co/Pd)n和FGT都是面外易轴取向。

图2. 调控FGT和(Co/Pd)n多层膜的磁性界面耦合强度来构建磁性斯格明子。（A）样品结构示意图。图中楔形Pd的作用是用于调节FGT和(Co/Pd)n多层膜的磁性界面耦合强度。（B）不同Pd厚度的FGT磁畴的PEEM图像。图中亮条纹和暗条纹分别代表磁化强度沿面外+z和-z方向。随着Pd厚度减小，耦合强度增强，暗条纹畴结构逐渐演变成bubble结构。（C）对同一区域的FGT和(Co/Pd)n多层膜的原位PEEM成像。FGT的条纹畴结构与(Co/Pd)n多层膜的条纹畴结构是一一对应的。并且FGT中的bubble结构的磁化强度方向与其下面的(Co/Pd)n多层膜的磁化强度方向永远是相反的。（D）FGT的磁化强度随着Pd厚度的变化。（E）条纹畴区域和bubble区域所占面积随Pd厚度的变化。

图3. 洛伦兹TEM确认斯格明子为Néel型。（A）用于LTEM的样品结构示意图和TEM图像。（B）倾角为30°时样品的LTEM图像。可以看到FGT中出现很多的bubble结构。（C）图B中绿色方框中的bubble结构的变角度LTEM图像。可以看到在0°时没有衬度，而30°和-30°时的bubble衬度想反，这表明bubble结构为Néel型斯格明子。（D）图C中的衬度相对强度随横向位置的变化。（E）利用相位重构方法分析得出的每一个斯格明子的磁化强度分布图。每一个斯格明子都呈现“刺猬型”磁化强度分布，进一步表明其为Néel型斯格明子。

本工作为零磁场下在范德瓦尔斯材料中构建斯格明子提供了一种有效的方法，为基于范德瓦尔斯材料的拓扑自旋电子学器件开辟了新的道路，例如可以在范德瓦尔斯铁磁材料中实现零场斯格明子的移动。

加州大学伯克利物理系博士后杨蒙蒙和李倩为论文共同第一作者。加州大学伯克利物理系邱子强教授和李倩博士为论文通讯作者。其他合作者包括美国劳伦斯伯克利国家实验室的R. V. Chopdekar, R. Dhall, J. Turner, C. Ophus, C. Klewe, P. Shafer,A. T. N'Diaye，加州大学伯克利物理系的 J. D. Carlström和王枫教授，韩国KIST的J. W. Choi博士，UCDavis 的陈宫博士，复旦大学吴义政教授以及韩国KRISS的C.Hwang教授。

论文链接：

https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eabb5157

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