物理系江万军课题组在稀土永磁材料的自旋电子学研究方面取得进展。相关研究结果于2021年8月15日以“稀土永磁材料SmCo5的自旋轨道电子学应用(Rare-Earth Permanent Magnet SmCo5for Chiral Interfacial Spin-Orbitronics)”为题发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。通过界面优化以及纳米薄膜制备技术，该研究在稀土永磁SmCo5薄膜材料中率先实现了磁垂直各向异性。在此基础上，课题组研究了SmCo5薄膜材料中的自旋轨道力矩效应，以及不同类型的拓扑自旋结构。
在广泛研究的重金属/铁磁膜中，自旋轨道力矩可以有效地操纵磁化强度，界面反演对称破缺同时也可以衍生出磁斯格明子。这些基础研究可以为未来自旋器件提供新思路，因而是当下的研究热点。尽管传统磁性材料自旋电子学已经取得了较大进展，探索具有优异性能的新材料体系一直是本领域的研究前沿。SmCo5是一种稀土永磁材料，它具有强磁各向异性，被用作为高密度记录介质。若将其应用在界面自旋电子器件，在提高自旋器件的热稳定性的同时，也能提高器件存储密度。
通过界面工程，江万军课题组成功制备出了具有垂直各项异性的SmCo5薄膜，并利用重金属Pt的自旋霍尔效应，在Pt/SmCo5/Ta多层膜中观察到了自旋轨道力矩诱导的垂直磁化强度翻转，以及手性磁性相互作用。团队进一步在[Pt/SmCo5/Ta]15多层膜中观察到了直径约100nm的室温拓扑斯格明子(skyrmion,拓扑数为1)，在[Pt/SmCo5/Ir]15多层膜中观察到了圆环状磁结构(skyrmionium,拓扑数为0)。利用微磁学模拟，团队揭示了这些非共线磁结构内部的三维自旋分布。该研究工作表明，通过界面性能调控，稀土永磁材料SmCo5或将成为一个新的自旋轨道电子学研究平台，为未来小型化的自旋轨道器件提供了一个新思路。
图一：Pt/SmCo5/Ta三层膜的磁性以及自旋轨道力矩调控。(a)界面反演对称破缺薄膜的结构示意图，(b)三层膜磁性随SmCo5厚度的演化，表明Pt/SmCo5/Ta三层膜中的垂直各向异性与SmCo5厚度之间强烈的依赖关系。(c) Pt/SmCo5/Ta三层膜中自旋流产生示意图，(d)霍尔器件的光学图片, (e)-(f)正负面内磁场下，自旋轨道矩驱动磁化强度翻转。
图二：[Pt/SmCo5/N]15(N = Ta, W, Ir)多层膜的面外磁滞回线，相应的多层膜中利用X射线磁元二色谱观测的磁畴图像，以及微磁学模拟验证。X射线透射显微镜的测量以及微磁学模拟结果表明，在[Pt/SmCo5/Ta]15多层膜中能够形成100纳米级的斯格明子，在[Pt/SmCo5/W]15多层膜中能够形成手性条纹畴，而在[Pt/SmCo5/Ir]15多层膜中能够形成圆环状的磁结构(skyrmionium，拓扑数为0)。
该论文第一作者为清华大学博士后周恒安，来自国防科技大学的访问博士研究生刘嘉豪为第二作者（等同贡献），合作者包括美国伯克利国家实验室先进光源的Mi-Young Im博士，以及清华大学材料学院朱静院士，通讯作者为江万军副教授。该研究成果得到了国家自然科学基金基础科学中心项目(51788104)、国家重点研发计划(2017YFA020620, 2016YFA03023000)、国家自然科学基金项目(11774194, 11804182, 1181101082, 51831005)、北京市自然科学基金(Z190009)、北京未来芯片中心(ICFC)、清华大学自主科研项目理科专项计划、韩国国家研究基金会(2020R1C1C1006194)等的资助和支持。
文章链接如下：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202104426
