近期，北京師范大學(xué)的張金星與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的王凌飛教授課題組的研究以封面文章的形式發(fā)表在《Advanced Materials》雜志上（見圖1），這項(xiàng)工作主要研究了缺陷工程與電場調(diào)控SrRuO₃中拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)的工作。文章指出在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的SrTiO₃（001）襯底和SrRuO₃薄膜之間的界面上，不同的化學(xué)勢使氧空位優(yōu)先從SrTiO₃擴(kuò)散到SrRuO₃。這種單向氧空位擴(kuò)散過程可以在化學(xué)計量和缺氧SrRuO₃層之間創(chuàng)建一個新的界面，由此產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)對稱性破壞可以進(jìn)一步觸發(fā)渦旋狀自旋織構(gòu)，即斯格明子磁泡。

圖1. 《Advanced Materials》雜志封面文章：缺陷工程與電場調(diào)控SrRuO₃中拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)

　　拓?fù)渥孕棙?gòu)，如磁旋渦、螺旋和斯格明子，不僅是利用真實(shí)空間磁拓?fù)涞睦硐肫脚_，而且是下一代量子器件的構(gòu)建基礎(chǔ)。其中，磁性斯格明子，一種納米旋轉(zhuǎn)的自旋結(jié)構(gòu)，可通過低密度電流進(jìn)行操作，并通過拓?fù)浠魻栃?yīng)（THE）進(jìn)行電檢測。這些特征意味著拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)在能量高 效的磁存儲、邏輯門等方面具有巨大潛力。通常，Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（簡稱DMI）穩(wěn)定了特征自旋旋轉(zhuǎn)織構(gòu), 而DMI來源于自旋軌道耦合（SOC）和磁體中的反轉(zhuǎn)對稱性破缺。在此基礎(chǔ)上，DMI的確定性控制仍然具有挑戰(zhàn)性但可以提供一種可選策略，將拓?fù)浯判酝葡驅(qū)嶋H的器件應(yīng)用。

圖2. a: 氧空位引入異質(zhì)結(jié)中的DMI示意圖；b-f: STEM表征SROT/SROl/STO（001）異質(zhì)結(jié)樣品，存在氧空位引入的SROl界面；g: 計算的DMI強(qiáng)度，SROT/SROI/STO(001) 異質(zhì)結(jié)中DMI強(qiáng)度至大（紅色，星形）。

　　在這項(xiàng)工作中，通過利用SrRuO₃/SrTiO₃（001）上氧空位的不同形成能和擴(kuò)散勢壘，在缺氧和化學(xué)計量的SrRuO₃之間構(gòu)建了一個尖銳的界面（見圖2）。這種界面反轉(zhuǎn)對稱性破缺導(dǎo)致了一個相當(dāng)大的DMI，它可以在超過10個單位晶胞厚度（簡稱10uc）的SrRuO₃中誘導(dǎo)斯格明子磁泡和拓?fù)浠魻栃?yīng)。這種拓?fù)渥孕棙?gòu)可以通過電場調(diào)控氧空位的遷移進(jìn)行可逆操縱。特別是，拓?fù)浠魻栃盘柨梢源_定性地打開和關(guān)閉。

圖3. a: 低溫磁力顯微鏡MFM表征50uc厚度的SRO薄膜；b: MFM表征10uc厚度的SRO薄膜，磁場強(qiáng)度范圍：0.9T-1.4T；c: 10uc厚度的SRO薄膜中，磁泡疇數(shù)量（拓?fù)浠魻栃?yīng)電阻）與磁場關(guān)系。

　　文章中，作者使用了一套attoMFM I低溫磁力顯微鏡，顯微鏡可以在閉循環(huán)低溫恒溫器attoDRY1000內(nèi)被冷卻到低的液氦溫度，顯微鏡直觀的檢測到了尺寸在幾十到幾百納米尺寸的磁泡疇。低溫磁力顯微鏡（MFM）的測量結(jié)果（圖3b）證實(shí)了在10uc厚度的SRO薄膜中磁泡疇數(shù)量隨著磁場強(qiáng)度的變化而變化。并且磁芯的磁化強(qiáng)度要么向上要么向下，隨H值變化而可調(diào)控。有意思的是，作者發(fā)現(xiàn)SROT/SROI異質(zhì)結(jié)構(gòu)的拓?fù)浠魻栃?yīng)電阻和磁泡密度之間表現(xiàn)出線性關(guān)系。該觀察到的拓?fù)浠魻栃?yīng)電阻與MFM結(jié)果之間的強(qiáng)相關(guān)性進(jìn)一步加深磁泡的拓?fù)湫再|(zhì)。而在50uc厚度的SRO薄膜中磁泡疇尺寸在微米別。

圖4. a: 不同電場下，10uc厚度SRO薄膜電阻隨磁場變化；b: 不同電場下，MFM表征10uc厚度的SRO薄膜；c: 電場調(diào)控磁疇泡數(shù)量數(shù)據(jù)；d:外置電場調(diào)控氧空位來打開與關(guān)閉拓?fù)浠魻栃?yīng)電阻。

　　如圖4d所示，在STO的背面施加電偏壓，可產(chǎn)生±3 kV cm^–1的垂直電場來操縱氧空位的分布。氧空位的移動特性使其能夠有效地控制拓?fù)浠魻栃?yīng)（圖4a）和斯格明子磁泡。低溫磁力顯微鏡（MFM）的測量結(jié)果（圖4b）證實(shí)了在10 uc厚度的SRO薄膜中磁泡疇數(shù)量可以通過不同的外置電場消除或創(chuàng)建。

　　作者指出，拓?fù)浠魻栃?yīng)完全可切換的開關(guān)狀態(tài)為未來基于拓?fù)浯磐ǖ倪壿嬈骷脑O(shè)計提供了一個確定性的電氣旋鈕。點(diǎn)缺陷的可移動性可以使所得界面量子和新功能高度可控，這可能對未來自旋電子學(xué)和電子器件的設(shè)計具有大吸引力。

圖5. 低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡以及attoDRY2100低溫恒溫器

　　低溫強(qiáng)磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM/MFM I主要技術(shù)特點(diǎn)：

　　? 溫度范圍：1.8K ..300 K

　　? 磁場范圍：0...9T (取決于磁體, 可選12T，9T-3T矢量磁體等)

　　? 工作模式：AFM（接觸式與非接觸式）, MFM

　　? 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm³

　　? 掃描范圍: 50×50 μm²@300 K, 30×30 mm²@4 K   

　　? 商業(yè)化探針

　　? 可升PFM, ct-AFM, SHPM, CFM，cryoRAMAN, atto3DR等功能

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. Jingdi Lu, Liang Si, Qinghua Zhang, Chengfeng Tian, Xin Liu, Chuangye Song, Shouzhe Dong, Jie Wang, Sheng Cheng, Lili Qu, Kexuan Zhang, Youguo Shi, Houbing Huang, Tao Zhu, Wenbo Mi, Zhicheng Zhong, Lin Gu, Karsten Held, Lingfei Wang*, and Jinxing Zhang*, Defect-Engineered Dzyaloshinskii–Moriya Interaction and Electric-Field-Switchable Topological Spin Texture in SrRuO₃，Advanced Materials., 2021, 33, 2102525.

　　2. Jingdi Lu, Liang Si, Xiefei Yao, Chengfeng Tian, Jing Wang, Qinghua Zhang, Zhengxun Lai, Iftikhar Ahmed Malik, Xin Liu, Peiheng Jiang, Kejia Zhu, Youguo Shi, Zhenlin Luo, Lin Gu, Karsten Held, Wenbo Mi, Zhicheng Zhong, Ce-Wen Nan, and Jinxing Zhang , Electric field controllable high-spin SrRuO₃driven by a solid ionic junction. Phys. Rev. B101, 214401 (2020) .

　　相關(guān)產(chǎn)品：

　　低溫強(qiáng)磁場原子力/磁力/掃描霍爾顯微鏡低震動無液氦磁體與恒溫器-attoDRY