力透纸背—擦写磁skyrmion | Ising专栏

360影视 欧美动漫 2025-05-25 19:31 4

摘要:读者未知相信与否,传统凝聚态对数据存储和读写的一般认知是这样的:选择一个序参量长程序构成的区域 (例如磁畴),提取一个物理量用于表达数据存储状态 (磁矩),从而实现数据操作功能 (翻转磁畴实现读写)。这样的理解,深入物理人之骨髓,让我们以为长程序才是物理人去追

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暮入烟霞晓承暑

且伴松华携夏住

一轮山黛,几重冈岵

挥汗竿头步。

引子

读者未知相信与否,传统凝聚态对数据存储和读写的一般认知是这样的:选择一个序参量长程序构成的区域 (例如磁畴),提取一个物理量用于表达数据存储状态 (磁矩),从而实现数据操作功能 (翻转磁畴实现读写)。这样的理解,深入物理人之骨髓,让我们以为长程序才是物理人去追逐的目标。长程的铁磁序、铁电序是两个最典型的实例,追逐它们就构成铁性材料研究的主要目标(磁学、铁电物理)。

事实上,这样的理解存在偏差:现实的数据存储技术所利用的,并不是序参量均匀分布的区域,反而是均匀区域交界处那些剧烈变化的不均匀区域,如畴壁、涡旋中心和其它类似不均匀处。在那里,物理性质的变化,被用来表达数据的二进制或多进制状态。最著名的数据存储器件就是磁盘存储:数据的读取,利用的是铁磁畴壁处的杂散磁场 (stray field) 信号 (正负、强弱),如图 1(A) 所示。有读者可能会质疑这一观点:巨磁电阻 GMR 磁头的数据读取,就不是这样的机制,因为 GMR 读取的是横穿磁性多层膜或隧道层的电阻大小,如图 1(B) 所示。其实不然,GMR 的电阻高低,依然是由磁性多层或隧道层界面处的磁畴差异(平行或反平行) 来体现的(自旋散射是量子语言,杂散场是大学电磁学语言)。超越磁存储,其实铁电存储也是如此:每一次读写,都是利用铁电畴壁运动带来的电荷量变化,如图 1(C) 和图 1(D) 所示。

图 1. 现代数据存储技术系列中磁存储和铁电存储的一些基本架构。

(A) 磁盘中磁读写示意图。不同取向的磁畴之畴壁处总是有杂散场存在:用磁探测器 (线圈、磁针尖、霍尔计等) 探测杂散场的方向,即可判别磁畴取向,从而判定局域存储的数据。写过程,是上述过程的逆过程。(B) 巨磁电阻 GMR 作为读取磁头,其工作原理也是利用畴壁处经典电磁学意义上的等效“杂散场”来操控磁头的磁电阻,进而实现数据读取。遗憾的是,此时写数据还是依靠传统模式 (inductive write element),速度慢、损耗大。从这个意义上看,GMR 磁盘技术只能算半个革命。(C) 几种已研发和正在研发的铁电存储器基本结构,具体工作过程在此不再详述。(D) 三种铁电存储器工作机制简单示意,即读取电流信号与铁电极化P 的取向关系:(a) 铁电随机存取存储器 (FeRAM) 中,数据读写依靠晶体管沟道电流随时间演化曲线来实现,不同极化P 取向下演化曲线不同。(b) 铁电场效应管 (FeFET) 的读写,则依赖不同极化 P 取向导致的栅极电压不同。栅压不同,沟道电流- 电压曲线亦有差别。(c) 铁电隧道结 (FTJ) 存储则很粗暴,直接读取隧道电流与电压的依赖关系。铁电隧道层中不同极化取向对应的隧道电导是不同的。红色/ 绿色箭头对应 P 向下 / 向上。

(A) from M. Reimer et al, Nanotechnology Reviews, vol. 6, no. 2, 2017, pp. 221-232, https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1515/ntrev-2016-0060/html。(B) from C. Chappert et al, The emergence of spin electronics in data storage. Nature Mater 6, 813–823 (2007), https://www.nature.com/articles/nmat2024。(C) from J. Y. Part et al, Revival of Ferroelectric Memories Based on Emerging Fluorite-Structured Ferroelectrics, Adv. Mater. 35, 2204904 (2023), https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204904。Here a) 1T1C ferroelectric random-access-memory (FeRAM), b) a planar-type ferroelectric field-effect-transistor (FeFET), c) a ferroelectric-fin field-effect-transistor (FinFET), d) a recessed-channel FET, and e) a gate-all-around (GAA) FeFET, respectively。(D) from M. Tarkov et al, Nanomaterials 2022, 12(24), 4488, https://www.mdpi.com/2079-4991/12/24/4488。

无论是畴壁、涡旋或其它单元,在物理人眼中,不过是具有一定维度 (d) 的拓扑缺陷而已 (统称为铁性拓扑缺陷),如图 2 所示。几何意义上,这类缺陷具有拓扑结构独有的鲁棒性。先辈们想到用这些拓扑缺陷来存取信息,未知是有意还是无意,亦或算得上是一种“天意”巧合?!即是说,许多年来,物理人实际上是在用拓扑缺陷来存取信息,而不是利用序参量长程序区域本身,只是我们并没有清晰地意识到这一点!无论如何,这些特征似乎在提示物理人:对未来的磁或铁电存储载体,为提升密度和可操控性,优先的目标不再是长程序区域,而是拓扑缺陷态区域!或者说,利用拓扑缺陷进行信息存取,并不算是数据存储在观念的革新,因为原本的数据存取就是基于拓扑缺陷的。很显然,拓扑缺陷,依然是面向未来的选择。

特别注意到,铁性畴壁或涡旋,几何上属于二维 (d = 2) 的拓扑面缺陷,如图 2(A) 和图 2(B) 所示。它们在三维空间 (d = 3) 中扩展,实际上占据了很大的空间区域 (即尺度很大)。面对数据存取密度不断攀升的需求,基于这类拓扑缺陷作为存储单元的器件,必定会因为尺寸问题难以为继、走向终结,维度更低的拓扑缺陷登堂入室不可避免。从这个意义上,那些准一维 (d ~ 1) 甚至准零维 (d ~ 0) 的拓扑缺陷,作为新一代数据存取单元,不可避免会来到物理人眼前。

因此,现在能够明白,磁性 skyrmion 扑面而来,不是因为某个物理人偶然发现之,其背后是有必然原因的:它,就是一个比通常畴壁低一维、准一维 (d ~ 1) 的拓扑缺陷!

图 2. 铁磁、铁电体系中几类不同实空间拓扑缺陷结构。

(A) 铁电畴壁的三维视图:(A1) 铁电畴的TEM 衬度像,其中铁电极化的指向如图所示。(A2) 铁电畴的三维形态,这里只画出极化 P 向上的畴,那些 P 向下的畴被掏空,没有展示。(A3) 铁电 d = 2 的畴壁在 d = 3 空间的组态。铁电极化 P 总是携带束缚电荷 (极化头尾部分别束缚正负电荷)。如果将电荷用 P 作为单位颜色化标识,则畴壁处的电荷分布如图所示,三维空间特征明显。

(B) 自旋涡旋 vortex、反涡旋 antivortex、涡旋对 vortex - antivortex pair 的空间形态。(B1) / B(2) 这些涡旋在 d = 2 平面上的形态。如果将涡旋芯 core 的空间位置提取出来,则这些cores 的空间几何如图 (B3) 所示。一对一对的涡旋对,其局域形态则显示于图 (B4)。特别注意到,涡旋芯其实是 d = 1 的缺陷,但因为涡旋本身扩展的区域很大,整个涡旋其实是类似于准三维 (d = 3) 的拓扑缺陷。

(C) 文献总结的一维、二维及三维铁性拓扑缺陷示意图,包括磁性 m 和铁电极化 p 两大类:(a) 奈尔型 (Neel - type) 斯格明子 (卷绕数 winding - number w = -1);(b) 布洛赫型 (Bloch - type) 斯格明子 (w = -1);(c) 反斯格明子 (antiskyrmion) (w = +1);(d) 双斯格明子 (biskyrmion) (w = –2);(e) 涡旋态 (vortex) 斯格明子 (w = -0.5);(f) 半子 (meron) (w = -0.5);(g) 双半子 (bimerom) (w = -1);(h) 套嵌斯格明子 (skyrmionium) (w = 0);(i) 斯格明子管 (skyrmion tube);(j) 磁浮子 (bobber)。箭头表示自旋 / 极化方向,面外分量 分别用三种颜色表示:红色表示朝向面外, 白色表示在面上, 蓝色表示朝向面内。所有这些拓扑缺陷在平面看都是局域的,扩展区域不大,可以看成是准粒子。这里专门将 skyrmion 的三维结构示意于图 (C2) 中。

(A) from E. D. Roede et al, The Third Dimension of Ferroelectric Domain Walls, Adv. Mater. 34, 2202614 (2022), https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202202614。(B1-B2) from The Nobel Prize in Physics 2016, or https://rubilacxe.github.io/blog/Topology.html。(B3-B4) from A. Lara et al, Low Temp. Phys. 46, 316–324 (2020), https://pubs.aip.org/aip/ltp/article/46/4/316/252884/Time-dependent-Ginzburg-Landau-simulations-of。(C1) from P. C. Wang et al, Acta Phys. Sin., 69, 117501 (2020), https://wulixb.iphy.ac.cn/en/article/doi/10.7498/aps.69.20200007。(C2) from M. T. Birch et al, Real-space imaging of confined magnetic skyrmion tubes, Nature Commun. 11, 1726 (2020), https://www.nature.com/articles/s41467-020-15474-8。

磁skyrmions操控

磁skyrmion 作为自旋电子学前沿和热点之一,已被高强度关注多年。《量子材料》公众号曾经有多篇科普短文展示这一主题,如《》、《》等。希望了解这一磁性拓扑缺陷的读者,可点击御览一二。现在,物理人对磁skyrmions 的理解就是:这是一柱状 (未必无限长、柱长由介质厚度决定)、准一维的磁拓扑缺陷,其垂直于柱轴线的平面组态如图 2(C1) 所示。在平面上看,它是一个局域 (尺寸可调)、携带拓扑磁荷 Q = 1 的“准粒子”或磁“奇异点”(拓扑粒子),虽然立体空间看起来它更像一条扭摆巡游的毛毛虫,如图 2(C2) 所示。

如果作为数据存取单元,(1) 这样的拓扑粒子在空间堆砌,预期有较高堆砌密度 (相对畴壁而言),即较高存储密度;(2) 这样的拓扑粒子在空间运动,预期有较快速度 (相对畴壁而言) 和较低损耗;(3) 特别地,如果是电流驱动这一拓扑粒子运动,预期电流密度可以较低。如此三条,是物理人为之描绘的应用前景。除此以外,物理人潜意识里对这一拓扑缺陷还有些“情有独钟”:固体中密集排列的自旋点阵世界里,怎么会有实空间如此奇特的、低能激发的、数学上等效为孤波的准粒子存在?

如此,物理人便开始对磁 skyrmion 开展不同层面探索,并寻求应用这一“准粒子”。这里将着重讨论两种操控模式和两类操控手段,以铺垫本文要渲染的主题。

(1) 原位擦写

到目前为止,已在大量不同的均匀 (单相) 与非均匀 (异质结、具有微结构) 磁体中观测到 skyrmion 的产生和湮灭,图 3(A) 所示乃两个实例动画。归根到底,这一准粒子的产生与湮灭,都与自旋 - 轨道耦合 (SOC) 有关。无论自旋的量子起源如何,在唯象理论层面上,磁性体系等效哈密顿包含的相互作用,无非是海森堡相互作用、外磁场引起的 Zeeman 能、SOC 和自旋 - 晶格耦合四大能量项,其中 SOC 还可分解为磁各向异性、DM (Dzyaloshinsky - Moriya) 互作用 (DMI) 等不同表述。这些相互作用中,只有 SOC 是横向的,即包含两自旋之间的叉乘 (S × S。注意到,skyrmion 实际上就是自旋集在空间 collective 转动而形成的。

对 skyrmion 的产生与湮灭研究,除了可加深对其物理机制的认识外,应用驱动也是主要关注点。如果存在某种与 skyrmion 联系起来的物理信号可供读取,例如产生与湮灭带来穿越电阻的变化,则数据读写就可利用电阻变化这种最直接的功能。这一模式易于实现高密度、空间多层堆砌,是很理想的数据存取机制,虽然物理人还是需要了解这种存取或读写的驱动损耗有多大。笔者倾向于这一工作模式,因为它的工作不需要对 skyrmion 进行运动控制、原地擦写即可,效率高、工作可靠,虽然下文的赛道存取模式亦很拉风!

(2) 赛道模式

所谓赛道模式,一开始就被推崇备至,不知是因为在数学上可被描述为高度稳定的孤波,还是因为运动时“天生”的拓扑鲁棒性。正如图 3(B) 所示,乍看起来,这一模式的确有天才之风、令人称奇。熟悉器件工艺的人们,还面临一些控制技术上的挑战。在基础探索层面和原型器件层面,物理人也在大力探索。毕竟,磁 skyrmion 具有相当大的“有效质量”,与电子或光子运动比较起来,其运动的确定性和可操控性到底有多高,还是需要探索的。

笔者理解,对赛道机制之所以有认同,可能源于传统畴壁存取就是通过畴壁运动(或探测单元的相对运动) 来实现的。赛道机制一开始就是针对高密度畴壁存储而提出,如图 3(C) 所示。但是,畴壁运动这一传统机制之所以工作,一是基于短程运动而非赛道存储那般长程运动,因此实际上还是局域擦写;二是因为畴壁是 d = 2 的扩展型拓扑缺陷,无法通过局域产生或湮灭方式操作。而 skyrmion 则已然不同,它比畴壁更为局域,已蜕变为平面内一个 d ~ 0 的“粒子”,通过局域擦写则可完成这一拓扑缺陷携带的信息存取。此时,剩下的问题是寻求在赛道上对一个快速运动的“质点”/“粒子”进行探测和写入,并发展成一种技术上可行和适用的模式。

后来者明白,赛道模式最大的问题 (if any),是运动稳定性与轨道确定性还不够好。图 3(B2) 的动画,实际上一定程度展示了,磁 skyrmions 在运动过程中的横向飘移距离已经超越 skyrmions 尺度本身。如此大的飘移,如果不能有效抑制,则有效利用 skyrmions 的高密度之可能性就不高。有两个 side - effects,使得赛道模式存在不确定性:(i) 赛道运动时 skyrmion 本征的横向霍尔飘移;(ii) 高密度存储时读取寻址问题。对 (i) 已有很多探索给予关注,包括江万军老师的系列工作,也有一些对冲横向飘移的方案,在此不论。但是,对(ii) 的关注尚未提上日程。传统磁盘的寻址,是靠高精度可控的压电悬臂梁来实现的,磁畴畴壁并未发生长程运动。如果是赛道存储模式,高精度寻址如何能得到保证,在笔者看来是一个未解之课题。

(A1,再看需要刷新)(A2,再看需要刷新)(B1)(B2)(C)

图 3. 磁 skyrmion 的操控模式举例。

(A) 两种原位 on - site 擦写模式:(A1) 是从完全无序的自旋晶格中产生磁 skyrmion,类似于在 SOC 较强体系中,施加磁场促使从顺磁态到铁磁态相变过程中产生这类 skyrmion。(A2) 局域磁结构受到横向约束下,也有可能产生磁 skyrmion。(B) 运动中的磁 skyrmion:(B1) 江万军他们发展的局域约束方法,以从条纹畴中产生可高速运动的磁 skyrmions。(B2) 几何约束下的赛道运动卡通。(C) 所谓磁畴壁赛道存储的简单原理,运用到磁 skyrmion 中,即 skyrmion 赛道存储模式。

(A1) From https://fangohr.github.io/blog/2015-skyrmions-in-confined-nanostructures.html,or https://www.nature.com/articles/srep17137。(A2) https://funsizephysics.com/spins-and-skyrmions/。(B1) From 江万军,https://www.anl.gov/article/argonne-scientists-announce-first-roomtemperature-magnetic-skyrmion-bubbles。(B2) From W. Kang et al, Scientific Reports 6, 23164 (2016), https://www.nature.com/articles/srep23164。(C) https://fangohr.github.io/blog/2015-skyrmion-skyrmion-and-skyrmion-edge-repulsion-in-skyrmion-based-racetrack-memory.html。

操控方法

无论是赛道模式,还是原位擦写模式,对磁 skyrmion 进行有效操控的手段与方法,其实并不多、实现起来亦不容易。目前已知的,无非是外加电 / 磁场、电流场、热场 (温度)、力场 (应变) 等几类。对每一种模式,物理人都在全方位探测。毕竟,在高技术时代,诸如数据存储这类对每一个技术节点都要求极高的技术架构最终花落谁家,也是很有变数的。这里只是提取几种模式做简单回顾:

(1) 电流驱动

磁 skyrmion 赛道模式的电流驱动,主要依赖自旋转移力矩 STT,亦或自旋轨道矩 SOT。它们都被证明是有效驱动机制。鉴于大量研究关注于此,也鉴于上文已讨论了赛道模式的优势与不足,本文只简单提及可能存在的问题。

电流驱动可能面临的最大问题有二。第一是如何克服焦耳热问题,即驱动能耗能否降低到大多数人都认可的 10 A/cm2 以下?STT 和 SOT 都源于自旋相互作用,即自旋自由度,但焦耳热源于电荷运动受到的散射。从基本原理看,电荷携带的能标,比自旋携带的能标要大很多。除非电荷输运散射被有效抑制,否则焦耳热问题难以完全克服。第二个困难,是如何避免横向霍尔或有效寻址 (将两个问题合二为一)。图 3(B) 已显示skyrmions在赛道中运动时有点摇摇晃晃的样子。当然,现在有一些方案,如限制赛道宽窄或约束边界,来约束磁 skyrmion 运动,使得其运动看起来更稳定和直线化。另外,快速运动的skyrmion,在通过探测器时如何被有效精准地探测到,可能也有技术上的挑战。

如下,重点讨论原位擦写的驱动模式。

(2) 电 / 磁场驱动

首先是磁场操控,如图 4(A) 给出的例子所示。虽然物理人都希望自旋电子学器件最好不要通过磁场激励,但到目前为止似乎成效不大。大多数情况下,要操控磁 skyrmion,都需要外加一定磁场。特殊情况下,通过特定异质结界面或应变调控 SOC 等方式,可实现无磁场激励 skyrmions 产生,但尚未形成一般性规律认知。特别是,对一些 3d 过渡金属化合物,其 SOC 可能不足以让 skyrmion 成为基态,意味着外加磁场辅助难以避免。从基础研究角度,磁场是很好的外部操控自由度,对物理人深入理解磁 skyrmion及动力学很有价值。但是,于实际应用场景,要获得满足应用所需的磁场 (大小、方向、局域化),不是容易的事。以磁场作为数据读取擦写的驱动,似乎不再为应用首要关注。

其次是电场操控。从目前的物理理解,静电场缺乏一个有效耦合机制对磁 skyrmion 施加调控,除了借助磁电耦合效应,如图 4(B) 给出的一个例子所示。考虑到单相磁电耦合依然很弱,试图仰仗静电场引入足够的磁矩变化、以操控磁 skyrmion 形成的物理条件,尚不成熟,在此不再讨论。与此不同,借助传统的磁电复合结构或异质结,电场通过铁电层的压电效应引入应变,再通过逆压磁效应在铁磁层传递磁矩和/或磁各向异性变化,有可能操控磁 skyrmion 形成。但是,这一效应,当归入下文提及的应变激励模式。

(3) 应变驱动

磁 skyrmion 的原位擦写,应变驱动可能算得上是最便利的方法之一。这一模式如此受看重,有三个动机:(i) 晶格应变改变磁各向异性,叠加于 SOC 之上,会对自旋各向异性产生影响;(ii) 晶格应变易于通过高效 (超低损耗) 模式实现,如压电模式,从而将电场操控磁 skyrmion 擦写模式引入,一直以来都得到物理人高度关注。图 4(C) 给出了一个最近的实例:几个高水平课题组通过简单的磁电复合层结构,激励张应变 (tensile strain) 和压应变 (compressive strain),即可实现磁条纹畴、skyrmion 和铁磁畴之间的原位切换。

当然,应变驱动的最大缺点在于大多数情况下要引入异质结:将磁 skyrmion 载体层与晶格应变层异质结合,方可实现这一模式。虽然磁致伸缩本身亦可实现晶格应变,但磁场激励不再是未来高效存储读写的方案。异质结晶格应变的另外一个缺点是力学损伤,毕竟天文数字的 skyrmion 擦写次数,意味着晶格疲劳无可避免。

目前来看,晶格应变效果还不够好的主要原因在于:(i) 异质结能产生的应变量尚小,很少能得到超过 1% 晶格应变,很多可靠的压电材料之标准效应大约是 0.1%。寻求更大的可控应变方式,是值得探索的方向,例如引入弛豫型巨压电体。(ii) 压电引入应变,多通过面外电场激励,通过33 诱发面外应变,体积守恒条件必然导致面内双轴31 和 d32 驱动的双轴应变,大大削弱了晶格应变的效果,或者说没有很好将单轴应变的效应展示出来。很显然,也正如物理人已从计算和模拟视角讨论过,如果能诱发面内单轴应变,则 DMI 就可被调控成各向异性。如此,擦写 skyrmion 的效果将会被大大加强:增减 DMI 的各向异性,必然导致 skyrmion 与 stripe 之间的切换。此乃我们需要的原位擦写!

由此,我们面临的课题是:要调控压电 - 磁性异质结中磁性层的磁 skyrmion,应变、单轴应变、足够大的单轴应变,是需要具备的条件。事实上,这些条件,实现其一已不容易,要全部实现极为困难。

图 4. 磁性 skyrmion 的操控方式举例。

(A) 磁场操控:在 SiO层隔离的 Si 基片上生长 top - W (5nm) / Co20Fe60B20 (1.3nm) / Ta (0.1nm) / MgO (1nm) / Ta (3nm) – bottom 多层膜样品,然后沿与膜面不同角度施加磁场,就能诱发 skyrmion 的产生和消失。如果磁场从垂直于膜面转动到平行膜面,会诱发各向同性条纹畴转变为 skyrmion,再转变为有序条纹畴 (沿磁场方向)。(B) 电场操控:最直接的思路是利用磁电耦合效应,由电场操控磁矩或者磁各向异性,以操控 skyrmion 的产生与湮灭。但目前已有材料的磁电耦合效应偏弱,还只能做到施加电场使原本的 skyrmion 发生形变。(B1) 显示施加电场的实验示意图,(B2) 展示了利用中子散射测量的结果。对象是那个著名的多铁 skyrmion 材料 Cu2OSeO3,结果展示在电场操控下,散射斑点发生了显著形变。(C) 电场调控的另外一种模式展示:借助压电效应引入应变,操控磁 skyrmion。将磁性多层膜生长在压电单晶衬底上,施加面外电场到衬底上,将借助衬底的 d15 效应对多层膜施加面内双轴应变 (biaxial strain)。可以看到,基态下的磁条纹畴在张应变下会演化为 skyrmion,而压应变下会变成铁磁畴。

(A) From S. Yang et al, Nano Lett. 22, 8430–8436 (2022), https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02268。

(B1) From https://www.psi.ch/en/lns/scientific-highlights/electric-field-induced-skyrmion-distortion。(B2) from J. S. White et al, PRL 113, 107203 (2014), https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.107203。

(C) From C. Feng et al, Field-free manipulation of skyrmion creation and annihilation by tunable strain engineering, Adv. Funct. Mater. 31, 2008715 (2021), https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202008715, and https://www.x-mol.com/paper/1357822986466930688?adv。

单轴大应变擦写

笔者经常说,物理人可是天底下最聪明的一群人 (不接受反驳)。言下之意是说总有人能够想到一些新奇的办法去解决问题。来自华南师范大学先进材料研究所 (IAM) 的侯志鹏教授课题组,包括那位能干的丁贝博士,就想到了一些举措,将问题解决推进了一步。

对志鹏他们举措的细节,感兴趣的读者可以移步他们最近刚刚刊发在《Science Advances》上、可免费下载的论文详细 (https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt2698)。这里,主要立足于对应变操控磁 skyrmion 问题的梳理,简略笔录几条读书笔记,而图 5 乃从他们文章中截取的两幅图片。

(1) 众所周知,对磁性薄膜和多层膜,施加晶格应变最常见的方法是将薄膜或多层膜沉积到压电单晶衬底上,然后利用衬底的压电效应产生应变。其实,从事聚合物高分子材料研究的物理人早就知道,聚合物基片对外部刺激的响应可比很多压电材料的电致应变更加显著。更进一步,因为天生的长链结构,高分子在结晶时,其构型倾向有序折叠式排列而形成面内结构的单轴各向异性。在外场刺激条件下,高分子基片形变会展现大的面内单轴各向异性。

(2) 研究液晶材料的物理人还知道,相比压电材料的电场诱发应变,液晶材料产生应变有更多种模式。首先,液晶分子的光致、热致或力致应变可达到 1% 甚至更大,而光和热致应变可以是非接触式的,乃一大优点。其次,光致应变具有时空精度高的优势,因为激励光斑可以达到足够的时间和空间分辨率 (光脉冲、空间聚焦),非热激励所能比肩。再次,光致液晶响应,还有光波波长这个自由度,调控起来更为容易,令人印象深刻。例如,志鹏 / 丁贝他们注意到,偶氮苯 (azobenzene, AZO) 作为一种光敏液晶,就具有很好的光响应性:(i) 在 340 - 380 nm 的深紫外光激励下,介观基元 (mesogens) 构筑的 AZO 会展示弯曲的偶氮 (-N=N-) 键,产生巨大的弯曲应变 (当然主体是 uniaxial 单轴的),如图 5(I) 所示。如果在 AZO 基片上沉积磁性多层膜,液晶基片的巨大弯曲应变将传递到磁性多层膜中。(ii) 随后,如果用 420 - 550 nm 绿光激励,这一弯曲应变会因为 AZO 分子形状恢复而消失。也就是说,紫外光和绿光的交替激励,能够在 AZO 液晶基片上施加和消除应变。特别是,这个应变足够大,大到可以展现原来难以企及的一些新效应。

(3) 作为引入晶格应变的载体,液晶基片具有一定的形变能力,因此是柔性磁性器件未来的可选之一。液晶基片的成本和制备规模都具有足够的竞争性,值得期待。当然,运用液晶基片也有其劣势和问题:毕竟是高分子,液晶基片在随后的磁性薄膜沉积时难以抵抗很高的沉积温度,是一个问题。而较低的弹性模量,也使得晶格应变的线性度不够好。

(4) 志鹏 / 丁贝他们发展了可靠的光活性 AZO 基片制备技术,并利用磁控溅射在这一基片上沉积 [Pt/Co/Ta]12 = [(Pt (2.5 nm) / Co (2.2 nm) / Ta (1.9 nm)]12 / Ta (20 nm) 磁性多层膜。无须讳言,施加面外磁场很容易在这个 well-defined 的多层膜体系中诱发出磁skyrmion。利用已经熟练掌握的磁性原子力显微探针 (magnetic force microscopy, MFM),他们可以将磁性多层膜中的介观磁结构看得一清二楚。

(5) 他们的主要探测结果,被部分截取于图 5(II) 中。很显然,实验设计和测量方法都很精致,展示的数据和结果也都挺漂亮。这些结果大概可概括为:

(i) [Pt/Co/Ta]12 的基态铁磁结构,呈现条纹畴形态,在面外磁场作用下能形成大约 100 nm 左右的室温磁 skyrmion 阵列。

(ii) 如没有磁场辅助,沿条纹畴方向施加张应变,到达一定阈值即可将条纹畴转动 90 度,即翻转到条纹畴垂直于应变方向。与应变调控磁各向异性相关的个中机理,已被理解得很清楚。注意到,此时,应变似乎无法在中间某个特定区域触发磁 skyrmion,还是没有走出“无磁场辅助难以激励 skyrmion”的如来手掌。

(iii) 如果施加辅助磁场,则沿条纹畴方向再施加张应变,很快就可触发出磁 skyrmion。应变太大,亦又会将 skyrmion 擦除掉,回复到垂直于应变方向的条纹畴态。当然,在一定参数范围内,辅助磁场越高,skyrmion 被擦除所需的临界应变也越大。

(iv) Skyrmion 总是存在一定的负 Poisson 效应,即应变越大时,skyrmion 形态会出现形变,沿垂直于应变方向会被拉长。

(v) 理论分析和微磁学模拟清晰揭示出,单轴应变将导致 DMI 呈现空间各向异性,从而诱发“平行条纹畴”到“skyrmion”、再到“垂直条纹畴”的转变。考虑到条纹畴和 skyrmion 属于不同拓扑类,这是典型的拓扑转变 (multi - step topological phase transition)。

图 5. 侯志鹏、丁贝他们得到的部分实验结果。为求完整理解,这里将图题嵌入到图中,便于读者御览。

不是结论的讨论

这是一篇应算得上漂亮的研究工作。令人印象最为深刻的一点,是创新性地借用光致液晶 AZO 的巨大单轴应变,实现对磁性层 skyrmion 的原位操控。笔者也是这篇工作的挂名作者,撰写立场不免有 biased 之嫌。这里,如其表扬这篇工作,不如站在自我角度提出一些问题和展望,作为不是结论的结论。

首先,严格物理意义上,这一实验展示的亦不是干净的单轴应变,因为基底形变是弯曲形变。弯曲形变引入了三维曲率分量,虽然主体是面内单轴应变。所以我们说,这里的应变是单轴的,亦不是单轴的。其次,可以看到,这里依然是磁场辅助的实验结果,虽然结果很漂亮,但也不是没有遗憾。需要辅助磁场终归是应用的一道门槛。当然,学问之道,没有遗憾的结果都不是好结果,对吧!再次,如其说这是一项探索实验,不如说这是一项初步展示光控磁 skyrmions 原位擦写的原理性实验,是值得“炫耀”的,意味着潜在的无接触式应用方向。最后,也就是可以随意发挥的层次:将磁性 skyrmion 多层膜集成到可用作显示的液晶片上,是否意味着未来可实现立足于磁 skyrmion 存算一体的液晶显示集成器件?OK,笔者展望得太远了,可以打住!

Multi-step skyrmion phase transition driven by light-induced uniaxial strain

Bei Ding(丁贝), Yadong Wang, Jiahui Meng, Xuejin Wan, Qingping Wang, Xinxing Xu, Yu Zhu, Minghui Qin, Xingsen Gao, Xiaoyan Zhong, Furong Chen, Jiawen Chen, Yangfan Hu, Xuewen Fu, Zhipeng Hou(侯志鹏), & Jun-Ming Liu

Science Advances 11, eadt2698 (2025)https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt2698

备注:

(1) 笔者 Ising,任职南京大学物理学院,兼职《npj Quantum Materials》编辑。感谢侯志鹏教授和丁贝博士,他们与笔者多有交流讨论。

(2) 小文标题“力透纸背—擦写磁skyrmion”乃宣传式的言辞,不是物理上严谨的说法。这里用“力透纸背”来形象表述光致液晶柔性基片以巨大面内应变,实现应变擦写磁 skyrmion。意向上,还真是如此味道:力,乃应力;透,乃应力引起的应变;纸背,乃液晶层耦合磁 skyrmion 薄膜。

(3) 文底图片拍摄自江南 (20250411),主题意涵自明。小词 (20250420) 原本写谷雨时节的耕种与劳作,期待丰厚收成。这里似乎贴合侯志鹏他们多年耕耘磁 skyrmion 的研究工作。

(4) 封面图片来自侯志鹏他们论文,展示了很有创意的测量装置和得到的磁结构在 (单轴应变ε, 面外磁场0H) 平面的相图。

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来源:知社学术圈

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