Facilitating electrical and laser-induced skyrmion nucleation with a dipolar-field enhanced effective DMI

技术摘要：通过偶极场增强的有效 DMI 促进电学与激光诱导的斯格明子成核

问题陈述
手性磁结构（如斯格明子）的稳定性和可控性高度依赖于 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）。在磁性多层膜中，界面 DMI 可稳定 Néel 型畴壁和斯格明子，确保统一的手性并实现电流驱动运动。然而，在具有显著厚度和磁矩的多层膜中，长程偶极相互作用会与 DMI 竞争。具体而言，由面外磁化强度产生的畴内偶极场会在畴壁内产生一个面内场，该场在某些层中会抵消 DMI，从而可能导致异手性（heterochiral）畴壁并降低稳定性。虽然这种偶极效应通常被视为对电流驱动运动不利的因素，但它对于维持斯格明子的微小尺寸和高稳定性也是必不可少的。挑战在于如何在不改变其他磁参数（如饱和磁化强度或各向异性）的情况下，隔离有效 DMI 对斯格明子成核的影响，因为修改层厚度或组分通常会同时改变这些参数。

方法论
作者制备了四种不同的 Ir/Co/Pt 基磁性多层膜堆叠结构，旨在系统地改变有效 DMI，同时保持相同的平均饱和磁化强度 ($M_s$) 和单轴各向异性 ($K_u$)。构建单元为两种三层结构：$[Pt(1) | Co(1) | Ir(1)]$（正固有 DMI）和 $[Ir(1) | Co(1) | Pt(1)]$（负固有 DMI）。

1. Uniform+ 与 Uniform- 堆叠： 包含六个单一三层结构的重复单元，导致整个堆叠结构中固有 DMI 符号一致。
2. 增强型（Enhanced）堆叠： 由三个正 DMI 三层结构后接三个负 DMI 三层结构组成。这种配置使 DMI 有效场在所有层中都与偶极场方向一致，理论上增强了有效 DMI。
3. 减弱型（Reduced）堆叠： 由三个负 DMI 三层结构后接三个正 DMI 三层结构组成。这种配置使 DMI 有效场与偶极场方向相反，理论上减弱了有效 DMI。

研究人员使用 SQUID-VSM 表征磁参数，并使用磁力显微镜（MFM）测量平衡畴宽，并利用 Lemesh 等人的模型确定有效 DMI 强度 ($|D_{eff}|$)。
斯格明子成核通过两种方法诱导：

• 电流驱动： 在窄电流线中使用 50 ns 电流脉冲。
• 激光诱导： 使用单发 70 fs 激光脉冲。
  在这两种情况下，成核均在施加的面外偏置场下进行，并对生成的斯格明子密度和稳定性进行了分析。

关键结果

• 有效 DMI 调制： 表征证实，增强型和减弱型堆叠具有几乎相同的 $M_s$ 和 $K_u$ 值（取两个均匀堆叠的平均值）。然而，有效 DMI 存在显著差异。增强型堆叠的有效 DMI 约为减弱型堆叠的 2.5 倍。具体而言，增强型堆叠比平均值增加了 $(0.34 \pm 0.08) \text{ mJ m}^{-2}$，而减弱型堆叠则减少了 $(0.6 \pm 0.1) \text{ mJ m}^{-2}$。这些实验数值与预测偶极贡献的 MuMax3 模拟及解析模型高度吻合。
• 斯格明子成核密度： 最显著的发现是成核密度受到的影响。在电流驱动成核中，增强型堆叠的成核密度比减弱型堆叠高出多达 $\sim 20$ 倍；在饱和状态下的激光诱导成核中，则高出 4 倍。
• 阈值： 出人意料的是，启动成核所需的阈值电流密度 ($J_c$) 和阈值能量密度 ($F_c$) 在两类堆叠中几乎相同。这表明有效 DMI 主要影响生成斯格明子的稳定性与存续，而非初始成核的能量势垒。
• 稳定性： 与减弱型堆叠相比，增强型堆叠中的斯格明子在更强的磁场下仍能保持稳定，这进一步表明增强的有效 DMI 提高了稳定性。
• 动力学： 初步测量表明，尽管由于一半器件的堆叠顺序发生了反转，自旋轨道转矩（SOT）仍能驱动增强型堆叠中的畴壁和斯格明子运动，因为 SOT 的符号变化与手性变化相互抵消。

意义与主张
本文声称通过实验证明，斯格明子的成核强度高度依赖于磁性多层膜中有效 DMI 的大小。通过结合内部偶极场与特定的层依赖堆叠顺序，作者成功实现了在不改变其他材料参数的情况下控制有效 DMI。

作者指出，这种方法为促进手性磁结构的成核和稳定性提供了一条有效的途径。他们强调，其结果提供了关于激光诱导斯格明子成核对磁性多层膜内部偶极相互作用依赖性的首次见解。这项工作表明，通过工程化堆叠顺序使偶极场与 DMI 对齐，是优化基于斯格明子的器件（特别是提高成核斯格明子的密度和稳定性方面）的一种可行策略，尽管这种特定修改本身对成核阈值几乎没有影响。