《Applied Surface Science》：Role of interfacial high-anisotropy pinning on creation and annihilation of skyrmion in Co/IrMn bilayer
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研究揭示了Co/IrMn异质结中界面高各向异性锁定机制对磁 skyrmion 行为的影响，发现通过调节IrMn层各向异性能量（4.6×10^6→5×10^6 J/m3），可形成两种不同锁定模式（孤立磁矩和四磁矩簇），其中4.7×10^6 J/m3时skyrmion数量达峰值，而更高能量下因界面强锁定作用数量下降。该成果为优化skyrmion基纳米器件提供了关键理论依据。
T. Perarasan | Harish Nanda Arunachalam | Mani Bharathi Manickavasagam | Priyanka Babu | S. Chandramohan | Jitendra Kumar Tripathi | Jaivardhan Sinha
印度泰米尔纳德邦Kattankulathur的SRM科学技术学院物理与纳米技术系，邮编603203
摘要
磁性斯格明子是磁性材料中的局域化准粒子，作为下一代自旋电子器件的有前景的信息载体。因此，理解它们在Co (FM)/IrMn (AFM)双层界面高各向异性钉扎位点存在下的行为至关重要。在这项工作中，我们通过调节IrMn的界面垂直磁各向异性（从4.6 × 10^6 J/m^3到5 × 10^6 J/m^3），识别出两种不同的界面钉扎机制：(i)孤立自旋和(ii)四自旋簇。斯格明子数量（N_max-sk）随着K_IrMn的增加而增加，直到4.7 × 10^6 J/m^3，之后随着各向异性的增加而减少。这种减少归因于Co/IrMn界面上的钉扎力。通过降低斯格明子尺寸（R_sk）并抑制弱钉扎效应，DMI强度进一步增加到-1.6 mJ/m^2，从而提高了N_max-sk并稳定了斯格明子。低J_c（5 × 10^10 A/m^2）足以实现斯格明子的成核，而J_c增加到5 × 10^12 A/m^2时，会导致斯格明子的纵向位移从约3 nm增加到156 nm。在K_IrMn = 4.7 × 10^6 J/m^3时，斯格明子从+x方向移动到-x方向（J_c沿+x方向）；而在5 × 10^6 J/m^3时，强烈的界面钉扎力导致沿+z方向（-z方向）的磁化发生抛物线形偏转。单个钉扎自旋会导致约3 nm的偏移，而钉扎簇的偏移会增加到约9 nm。此外，详细讨论了DMI对钉扎位点排列和斯格明子成核机制的影响。这项工作推动了斯格明子物理学的发展，并为基于斯格明子的FM/AFM器件的设计提供了指导。
引言
非平凡的拓扑自旋结构作为稳定的信息载体，在先进自旋电子应用中引起了广泛关注。其中，磁性斯格明子因其固有的拓扑稳定性、纳米级尺寸、通过电流实现的高能效控制以及能够避开钉扎中心而脱颖而出，使其成为下一代经典和量子自旋电子器件的有力候选者[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。自2009年首次实验发现以来[6]，磁性斯格明子已在多种材料系统中被观察到，包括体块铁磁体[7]、多铁磁体[8]、反铁磁体[9]、超薄膜[10]和多层异质结构[11]，在这些系统中，对称性的破缺和强自旋-轨道耦合是关键因素。在铁磁介质中，斯格明子的磁化强度呈现连续变化，核心自旋的方向与边界处的自旋相反。DMI（反对称交换相互作用）有助于在具有明确手性的垂直磁各向异性系统中稳定斯格明子，对应于一个特定的拓扑电荷（Q = ±1）[12]、[13]。可以使用各种外部刺激有效操控磁性斯格明子，包括自旋转移扭矩（STT）[14]、自旋-轨道扭矩（SOT）[15]、短激光脉冲[16]、[17]、纯电场[17]、磁场梯度[18]、温度梯度[19]、表面声波[20]以及电压控制的磁各向异性[21]、[22]、[23]、[24]，这些刺激适用于双层和多层系统。
此外，可以通过磁输运效应（如隧道磁阻和非共线磁阻）高效检测斯格明子，这些效应源于能带结构的改变[25]。斯格明子可以在极低的J_c（约1 × 10^6 A/m^2）下被驱动，这通常比移动传统磁畴壁所需的电流小五个数量级[26]。这一显著的低电流阈值大大减少了焦耳热和能量损耗，使得基于斯格明子的器件可以实现比传统互补金属氧化物半导体（CMOS）技术低两个数量级的功耗[25]。因此，这对于基于斯格明子的赛道存储器[27]、逻辑门[28]和人工突触[29]来说是一个关键优势。
在FM/AFM磁性双层中生成斯格明子的关键优势之一在于存在未补偿的界面自旋，这些自旋会产生一个交换偏置场。该场有效地消除了稳定斯格明子所需的垂直于平面的磁场，并提供了更好的稳定性，这一机制在最近的研究中得到了很好的证实[30]、[31]、[32]。由于其高奈尔温度、优异的耐腐蚀性和强的界面交换能，IrMn成为交换偏置系统中使用最广泛的反铁磁材料之一[33]。Guang等人[34]使用聚焦电子束技术在Co/IrMn多层结构中展示了斯格明子的形成，但他们的研究没有探讨存在钉扎中心时的斯格明子动态。同样，Zhao等人[35]在Co/IrMn异质结构中研究了斯格明子的行为，使用软磁CoFeB层作为斯格明子的宿主介质，并在CoFeB和IrMn之间引入了Ta间隔层以抑制界面钉扎效应。然而，全面理解在高各向异性钉扎位点存在下的斯格明子形成、湮灭和动态行为对于阐明其物理机制和实现更好的斯格明子稳定性及运动控制仍然至关重要。
Peng等人[36]最近报告称，钉扎自旋与铁磁层之间的各向异性差异会产生强烈的钉扎力，从而阻止了钉扎区域的畴扩展。这一发现激发了本研究的工作。我们的结构经过精心设计，以阐明界面高各向异性钉扎位点对斯格明子行为的影响。该结构由Co（1 nm）/IrMn（2 nm）双层组成，在这种结构中，由于两层的超薄特性，交换偏置很小，而界面DMI占主导地位[37]。此外，为了全面理解斯格明子物理学，需要在方形点纳米结构内稳定斯格明子，而不仅仅是分析单个斯格明子或固定数量。这种配置更准确地反映了实验条件，并允许探索它们的集体动态。这种策略使得系统地研究条带到斯格明子的转变、成核和湮灭机制、稳定性、轨迹以及斯格明子之间的相互作用成为可能，最终揭示了最大化斯格明子数量的最佳参数。
本文的结构如下：第二节概述了支持模拟的理论框架。第三节详细介绍了微磁模型及其参数。第四节展示了模拟结果，并分析了在不同磁条件下的斯格明子形成、稳定性和动态。最后，第五节总结了研究的主要结论。
部分摘录
理论背景
在这项工作中，我们研究了一个由垂直于平面的磁化Co层（作为铁磁（FM）层）与补偿的IrMn层（作为反铁磁（AFM）层）组成的磁性异质结构。AFM材料本质上由两个反铁磁耦合的磁子晶格组成。由于MuMax^3[38]不支持单层中的双子晶格AFM建模，因此使用两个反平行子晶格（AFM_1和AFM_2）来表示补偿的AFM。
微磁模型
使用MuMax^3进行微磁模拟，以研究由Co层与补偿的IrMn层组成的双层系统中的交换偏置行为。该系统被离散为256 × 256 × (2 AFM + 1 FM)个单元格，每个单元格的大小为2 × 2 × 1 nm^3，如图1所示。对于Co层，我们使用典型参数[42]：M_FM和M_AFM = 1000 kA/m，A_FM = 8 pJ/m。阻尼常数（α）= 0.02来自实验研究[43]。退磁能量和FM
K_IrMn对条带-斯格明子转变和稳定性的影响
为了研究条带到斯格明子的转变、稳定过程以及随后的湮灭过程，并优化N_max-sk，我们通过调节垂直于平面的偏置场（B_z），在无钉扎和有钉扎条件下，将K_IrMn从4.6 × 10^6 J/m^3系统地调节到5 × 10^6 J/m^3，如图2（a和b）所示。这里使用了DMI值-1.2 mJ/m^2和J_c值5 × 10^10 A/m^2以确保系统内斯格明子的稳定。最初，条带
结论
总之，这项研究全面了解了在Co/IrMn双层中存在界面高各向异性钉扎位点时斯格明子的行为。通过将K_IrMn从4.6 × 10^6 J/m^3调节到5 × 10^6 J/m^3，识别出两种不同的钉扎类型：孤立自旋和四自旋簇。斯格明子数量随着各向异性能量的增加而增加，直到4.7 × 10^6 J/m^3，之后随着各向异性接近5 × 10^6 J/m^3而减少。在较低的各向异性4.6 × 10^6 J/m^3时，
CRediT作者贡献声明
T. Perarasan：撰写 – 原始草稿、软件、方法论、数据管理、概念化。Harish Nanda Arunachalam：可视化、形式分析、数据管理。Mani Bharathi Manickavasagam：形式分析、数据管理。Priyanka Babu：研究、形式分析。S. Chandramohan：撰写 – 审稿与编辑、形式分析。Jitendra Kumar Tripathi：撰写 – 审稿与编辑、监督、研究。Jaivardhan Sinha：撰写 – 审稿与编辑、监督，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
我们感谢SRM-IST为TP、HNA和PB在本研究期间提供的奖学金。MBM感谢印度科学技术部提供的INSPIRE奖学金（IF230130）。JS感谢印度人力资源发展部提供的学术和研究合作促进计划（SPARC/2019-2020/P1879）和核心研究资助（CRG/2022/007836）的财政支持。我们感谢Megha S. N.帮助绘制示意图。
