SrRuO3中缺陷工程与电场调控拓扑自旋结构的研究新进展

近期，北京师范大学的张金星与中国科学技术大学的王凌飞教授课题组的研究以封面文章的形式发表在《Advanced Materials》杂志上（见图1），这项工作主要研究了缺陷工程与电场调控SrRuO₃中拓扑自旋结构的工作。文章指出在钙钛矿结构的SrTiO₃（001）衬底和SrRuO₃薄膜之间的界面上，不同的化学势使氧空位优先从SrTiO₃扩散到SrRuO₃。这种单向氧空位扩散过程可以在化学计量和缺氧SrRuO3层之间创建一个新的界面，由此产生的反转对称性破坏可以进一步触发涡旋状自旋织构，即斯格明子磁泡。

图1. 《Advanced Materials》杂志封面文章：缺陷工程与电场调控SrRuO₃中拓扑自旋结构

拓扑自旋织构，如磁旋涡、螺旋和斯格明子，不仅是利用真实空间磁拓扑的理想平台，而且是下一代量子器件的构建基础。其中，磁性斯格明子，一种纳米级旋转的自旋结构，可通过低密度电流进行操作，并通过拓扑霍尔效应（THE）进行电检测。这些特征意味着拓扑自旋结构在能量高效的磁存储、逻辑门等方面具有巨大潜力。通常，Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（简称DMI）稳定了特征自旋旋转织构, 而DMI来源于自旋轨道耦合（SOC）和磁体中的反转对称性破缺。在此基础上，DMI的确定性控制仍然具有挑战性但可以提供一种可选策略，将拓扑磁性推向实际的器件应用。

图2. a: 氧空位引入异质结中的DMI示意图；b-f: STEM表征SROT/SROl/STO（001）异质结样品，存在氧空位引入的SROl界面；g: 计算的DMI强度，SROT/SROI/STO(001) 异质结中DMI强度大（红色，星形）。

在这项工作中，通过利用SrRuO₃/SrTiO₃（001）上氧空位的不同形成能和扩散势垒，在缺氧和化学计量的SrRuO₃之间构建了一个尖锐的界面（见图2）。这种界面反转对称性破缺导致了一个相当大的DMI，它可以在超过10个单位晶胞厚度（简称10uc）的SrRuO3中诱导斯格明子磁泡和拓扑霍尔效应。这种拓扑自旋织构可以通过电场调控氧空位的迁移进行可逆操纵。特别是，拓扑霍尔信号可以确定性地打开和关闭。

图3. a: 低温磁力显微镜MFM表征50uc厚度的SRO薄膜；b: MFM表征10uc厚度的SRO薄膜，磁场强度范围：0.9T-1.4T；c: 10uc厚度的SRO薄膜中，磁泡畴数量（拓扑霍尔效应电阻）与磁场关系。

文章中，作者使用了一套attoMFM I低温磁力显微镜，显微镜可以在闭循环低温恒温器attoDRY1000内被冷却到极低的液氦温度，显微镜直观的检测到了尺寸在几十到几百纳米尺寸的磁泡畴。低温磁力显微镜（MFM）的测量结果（图3b）证实了在10uc厚度的SRO薄膜中磁泡畴数量随着磁场强度的变化而变化。并且磁芯的磁化强度要么向上要么向下，随H值变化而可调控。有意思的是，作者发现SROT/SROI异质结构的拓扑霍尔效应电阻和磁泡密度之间表现出线性关系。该观察到的拓扑霍尔效应电阻与MFM结果之间的强相关性进一步加深磁泡的拓扑性质。而在50uc厚度的SRO薄膜中磁泡畴尺寸在微米级别。

图4. a: 不同电场下，10uc厚度SRO薄膜电阻随磁场变化；b: 不同电场下，MFM表征10uc厚度的SRO薄膜；c: 电场调控磁畴泡数量数据；d:外置电场调控氧空位来打开与关闭拓扑霍尔效应电阻。

如图4d所示，在STO的背面施加电偏压，可产生±3 kV cm–1的垂直电场来操纵氧空位的分布。氧空位的移动特性使其能够有效地控制拓扑霍尔效应（图4a）和斯格明子磁泡。低温磁力显微镜（MFM）的测量结果（图4b）证实了在10 uc厚度的SRO薄膜中磁泡畴数量可以通过不同的外置电场消除或创建。

作者指出，拓扑霍尔效应完全可切换的开关状态为未来基于拓扑磁通的逻辑器件的设计提供了一个确定性的电气旋钮。点缺陷的可移动性可以使所得界面量子和新功能高度可控，这可能对未来自旋电子学和电子器件的设计具有极大吸引力。

图5. 低温强磁场原子力磁力显微镜以及attoDRY2100低温恒温器

低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM/MFM I主要技术特点：

▪ 温度范围：1.8K ..300 K

▪ 磁场范围：0...9T (取决于磁体, 可选12T，9T-3T矢量磁体等)

▪ 工作模式：AFM（接触式与非接触式）, MFM

▪ 样品定位范围：5×5×4.8 mm3

▪ 扫描范围: 50×50 μm2@300 K, 30×30 mm2@4 K   

▪ 商业化探针

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

参考文献：

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 SrRuO3 driven by a solid ionic junction. Phys. Rev. B 101, 214401 (2020) .