中科大陸輕鈾Nat.Mater.：超薄氧化物異質結構中的鐵電體可調磁性斯格明子

納特。中國大陸的輕鈾。超薄氧化物異質結構中的鐵電可調諧磁性Schumminon

a,BTO/SRO界面鐵電體(FE)鄰近效應的示意圖。BTO中的FE驅動的離子位移可以滲透到SRO中,達到幾個單位晶胞(u.c.)的深度。氧和Ti(Ru)之間的離子位移沿著[001]軸表示為δTi-O(δRu-O)。

b,SRO中的DMI具有非零δRu-O。DMI向量D12垂直於由兩個Ru陽離子和一個O原子配體組成的假想三角形。

c,d,DMI常數(D) (c)和交換剛度(J) (d)的密度泛函理論(DFT)計算。

圖2 BTO/SRO/SrTiO3(001)異質結構的拓撲霍爾效應

a,b,從具有各種SRO層厚度(tSRO)(a)和BTO層厚度(tBTO)(b)的BTO/SRO樣品獲得的10K的隨磁場變化的霍爾電阻率(ρxy-H)曲線。BTO(20 u.c.)/SRO(4 u.c.)樣品表示為B20S4,相同的表示法適用於其他BTO/SRO樣品。紅色和藍色代表H掃描方向。所有曲線中減去OHE的線性貢獻。插圖是示意性樣本結構。

c,ρxy,ρAHE和ρTHE相對於H的B20S4樣品。ρAHE-H曲線來自歸一化的M-H曲線。 M的單位是每Ru原子的玻爾磁子(μB/Ru)。H掃描方向用實線箭頭標出。

d,e,相對於tSRO和tBTO的斯格明子密度(nsk)計算。誤差條為不確定性載流子自旋極化PS=-10±5%。

圖3 B20S5樣品中磁性斯格明子的磁力顯微鏡表徵

a-e,在5K時在不同的場強下從B20S5樣品測量的MFM圖像,H掃描從5到-5T。MFM 對比度代表MFM尖端共振頻率偏移(Δf)。負(正)Δf表示磁化與外部H平行(反平行)。

f,g,通過b,c和d中的圖像逐像素減法獲得的MFM圖像(以紅色框起)。突發出現的斯格明子數量(Δn)和H的間隔(ΔH)被貼上標籤。代表性的1型和2型MFM對比分別用實心條和虛線環標記。掃描區域為4×4μm。所有比例尺對應於1μm。

h,等效直徑的統計直方圖(DE),根據所有減去的MFM圖像中半最大值的域狀對比度的面積計算。實驗直方圖可以通過兩個高斯分布很好地擬合。在約90nm處達到峰值的窄峰對應於類型1對比(個體斯格明子)。在~160nm處達到峰值的較寬的一個對應於2型對比(磁泡域或斯格明子簇)。

i,幾個代表性的1型MFM對比的橫截麵線輪廓。全寬半高(FWHM)為~90nm。

j,在5K下測量的M-H(綠色)和ρxy-H(紅色)曲線。用於拍攝MFM圖像的H值由閉合的菱形和空心圓圈標記。

k,在變化nsk(Δnsk衍生自)ρTHE(實心圓,紅色)和MFM圖像(實心方塊,綠色)。誤差棒代表Δ的上限和下限nsk通過將所有2型MFM對比分別作為skyrmion簇和單個磁泡域處理來計算。

nsk(Δnsk)的變化來自ρTHE(實心圓,紅色)和MFM圖像(實心方塊,綠色)。 誤差條代表Δnsk的上限和下限,其通過將所有2型MFM對比分別作為斯格明子簇和單個磁泡域處理而計算。

圖4 對斯格明子性質的FE控制

a,FE域交換和霍爾測量的實驗裝置示意圖。

b-e,不同FE極化狀態下B20S4樣品的壓電響應力顯微鏡(PFM)相圖(上圖),ρxy-H和ρTHE-H曲線(下圖)。b中的比例尺對應於10μm。將ρTHE降至零的臨界H標記為Hsk。

f,ρTHE的輪廓圖和在完全向上和向下極化配置中測量的斯格明子相圖。為清楚起見,在任一圖中僅顯示一個THE分支。Hsk-T曲線代表斯格明子和鐵磁相之間的相界。在底部面板中,向上極化情況下的Hsk-T曲線也作為虛線插入以進行比較。顯然,對於向下極化的情況,相界向較低的H和T收縮。

g,最大ρTHE和相應的歸一化nsk作為向下極化域區域的函數。如虛線(紅色)所強調的那樣,ρTHE的變化遵循幾乎線性的趨勢。

圖5的特徵是BTO/SRO界面附近的掃描透射電鏡。

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