新加坡国立大学&牛津《Nature》：室温反铁磁半斯格明子和双半子

在发展后互补金属氧化物半导体（CMOS）技术过程中，由于需要提高效率和性能，拓扑保护的铁磁涡旋，如斯格明子及其反粒子，在跑道逻辑记忆或神经形态器件中，作为孤子信息载体显示了巨大的前景。然而，铁磁体中偶极场的存在，限制了超小拓扑结构的形成，以及自旋力矩驱动下有害的斯格明子霍尔效应，一直阻碍了它们的实际应用。最近，反铁磁类似物，预测其能表现相对论动力学、快速无偏转运动和尺寸缩放，从而成为人们关注的焦点，但它们还没有在天然反铁磁系统中，得到实验证明。

近日，来自新加坡国立大学的Hariom Jani & T.Venkatesan和英国牛津大学的Paolo G. Radaelli等研究者，在一种遍布地球的氧化物绝缘体且表面覆盖一层铂的α-Fe₂O₃中，发现了一系列拓扑反铁磁自旋织构。相关论文以题为“Antiferromagnetic half-skyrmions and bimerons at room temperature”发表在Nature上。更多精彩视频请抖音搜索：材料科学网。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03219-6

反铁磁(AFM)材料的拓扑结构，由补偿铁磁(FM)子晶格组成，产生的杂散场可以忽略不计。然而，反铁磁的序参量Néel矢量L——在这些织构中扭曲，从而产生非零的Néel拓扑电荷(Q)。这一特性，赋予了AFM纹理以拓扑保护，同时减轻了铁磁纹理遇到的限制。此外，绝缘AFM材料，由于低吉尔伯特阻尼和交换放大效应，预测其具有超快的自旋动力学和织构的相对论运动，大约可达每秒几公里。最后，由于磁子介导自旋输运过程中，焦耳损耗可以忽略不计，AFM绝缘体，也是低功率自旋电子学的重要候选材料。因此，在绝缘体中产生和控制原子力显微镜的拓扑结构，对于基本理解和应用都是至关重要的。

最近，对基于金属合成原子力显微镜(AFM)栈中skyrmions的实验观察，显示出了一些理想的特性，但在天然AFM材料中却没有类似的演示。最近，研究者发现绝缘的AFM氧化物α-Fe₂O₃(赤铁矿)，当与铁磁覆盖层(Co)形成界面时，可以在AFM层中支持扁平(反)涡。然而，这些不同于skyrmions的AFM织构，是在样品生长的不可逆过程中形成的，由于不能在AFM界面，直接提供自旋轨道力矩(SOTs)，因此不适合某些应用。相比之下，在α-Fe₂O₃和Pt的界面上，研究者展示了各种不同的AFM拓扑结构，包括类似skyrmions的结构。此外，通过改变温度，研究者展示了这些原子力显微镜织构的无场可逆稳定，这些织构可以通过简单的化学调节，在室温下或低于室温下成核。

α-Fe₂O₃晶体，为空间群的三角刚玉结构，具有沿晶体c轴反平行排列的交替铁磁子晶格(M₁和M₂，磁化M₁和M₂)；图1a(插图)。它的自旋取向，由轴向磁晶各向异性K(T)控制，K(T)随温度T变化，这是由于磁偶极子和单离子相互作用之间微妙的相互作用。α-Fe₂O₃是少数K(T)发生符号反转的体系之一，使自旋在Morin转变温度T_M上重新定向，这可以通过化学取代来调节。Néel向量，L≡M₁−M₂，位于T_M上方的平面(IP)内，在T_M下方的平面(OOP)外翻转。T_M以上，基底各向异性较弱，形成6个不同的IP L结构域；也就是说，三对方向域，每对域由与时间反演相关的元素组成。在此，研究者用脉冲激光沉积法，在(0001)取向的α-Al₂O₃基底上外延生长α-Fe₂O₃薄膜样品，其Morin跃迁发生在T_M≈ 240k。与此同时，研究者还制备了α-Fe_1.97Rh_0.03O₃的铑取代薄膜，该薄膜表现出较高的Morin温度T_M≈298 K。所有用于光电发射电子显微镜(PEEM)实验的薄膜，都加盖了1 nm的Pt层以防止充电。X射线磁线性二色性(XMLD)证实了，这些样品在各自的T_M上的L重定向，在Fe L-边缘能量处共振。图1a中，由于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，当T >T_M在子晶格M_1,2之间发生一个小的IP偏移(约1.1 mrad)时，可以观察到一个小的滞后IP矩(m = M₁ + M₂)。

图1 α-Fe₂O₃中AFM织构在T_M上的温度演化。

在此，研究者在α-Fe₂O₃中，研究者发现了一系列拓扑反铁磁自旋结构。通过利用Kibble Zurek机制的一阶近似，研究者稳定了外来的介子和反子(半skyrmions)及其对(双介子)，它们可以被磁场消除，并通过温度循环再生。这些结构具有100纳米量级的特征大小，可以通过精确调节交换和各向异性来进行化学控制，通过这些途径可以实现进一步的缩放。在来自重金属层的基于电流的自旋力矩的驱动下，一些反铁磁结构可能在室温下成为低能量反铁磁自旋电子学的主要候选材料。

图2 来自IP Néel矢量地图的真实空间拓扑纹理。

图3 AFM特征尺寸的温度演化。

图4 删除和重建(反)meron。

综上所述，研究者的研究结果展现了一个重要的前景：Pt层的电流通过自旋霍尔效应在α-Fe₂O₃-Pt界面产生自旋积累，从而驱动IPAFM域交换，它也可能成为通过SOTs，操纵AFM拓扑家族的一些成员。另外，这些织构也可以在室温下，通过Kibble Zurek循环或可能通过光或电刺激产生，并通过SOTs进行电力驱动，在基于跑道的存储器和逻辑实现中充当信息向量。（文：水生）