合肥研究院在氧化物薄膜中直接观测到斯格明子

中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心研究员陆轻铀课题组在斯格明子的研究中取得新进展。该课题组人员利用自主研制的强磁场磁力显微镜（ MFM ），首次实现了氧化物薄膜中 skyrmions （斯格明子）的直接观测。相关研究作为国际合作成果，于 11 月 5 日以 Ferroelectrically tunable magnetic skyrmions in ultrathin oxide heterostructures 为题发表在国际期刊《自然-材料》（ Nature Materials ） 上。

高密度、快速、低成本的数据存储是当今信息革命最重要的基础之一。在过去的 50 年里，由于磁存储设备的快速发展，硬盘驱动器（ HDD ）已经成为我们日常生活中最常见的数据存储设备。然而，目前由于个人电子设备的快速发展和大数据分析的需要，当前主要基于硅微电子和磁隧道结的磁存储器件越来越无法满足人们在存储密度和速度上的需要。因此，材料科学家和凝聚态物理学家总是渴望为下一代磁记忆设备寻找新的磁系统。

磁性 skyrmions 是一种有着粒子性质的自旋保护结构。其尺寸可以小到甚至只有几纳米，有着拓扑保护的稳定性，并且能被极低功率的自旋极化电流所驱动。由于这些引人注目的特性，磁性 skyrmions 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。

来自韩国关联电子系统研究中心的 Noh 等人制备出性能突出的 BaTiO 3 /SrRuO 3 氧化物薄膜。通过霍尔测量可以预测系统中可能存在有 skyrmions 。为了验证这一点，一个直接的微观成像研究就显得尤为重要。

陆轻铀课题组利用自主研制的高灵敏 MFM ，直接观测到了该系统中的 skyrmions， 这也是首次在氧化物薄膜中观测到 skyrmions 。

该课题组首先将样品零场冷到 4.5K 。在整个 MFM 测量过程中，来自原子尺度的形貌干扰一直存在。同时，样品只有 5 个单胞的厚度，整体磁性较弱，加之 skyrmions 本身尺寸小、磁性微弱。这些不利的因素综合起来，使得成像工作非常具有挑战性。最终，课题组凭借该 MFM 的高灵敏特性，在 5T 到 -5T 的变磁场过程中，观察到与样品原子级形貌叠加的磁结构信号。为了除去本底的形貌信号，课题组采用了逐像素相减的方法，将相近磁场下测得的 MFM 图像两两相减，很干净地消除了样品原子级台阶信号的干扰。根据尺寸以及形状的不同，观测到的磁结构可分为单个的 skyrmions 以及 skyrmions 簇或者 bubbles 。

成像结果直接证实了该样品体系中 skyrmions 的存在。同时，也测量出该体系中 skyrmions 的尺寸分布、密度变化，及其微观动力学行为。

这一结果不仅为人们深入理解氧化物薄膜中的 skyrmions 提供了实验基础，而且为人们从微观角度认识和操控 skyrmions 提供了参考。

强磁场中心自主研发的该高灵敏磁力显微镜（ MFM ），可在 4.5K-300K 和 18/20T 磁场下对微观磁结构进行调控与成像，可对 3um 小样品进行精准定位与测量，并能对 3-5 层的少数原子或单胞层磁性样品实现磁结构成像，这是国际上迄今达到的最高水平。

MFM成像结果