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磁电薄膜中实现电场对磁涡旋旋性的可逆翻转

Peer-Reviewed Publication

Science China Press

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image: (a) A geometry of NiFe-BWO magnetoelectric thin film device with four planar electrodes. (b) The deterministically reversible reversal of single magnetic vortex circulation by bi-axial pulsed electric field. (c) The space-varying strain evolves as a function of pulsed electric field numbers. (d) Dynamic mechanism of magnetic vortex reversal. (e) Electric-field-controlled magnetic vortex based data-storage devices. view more 

Credit: ©Science China Press

涡旋普遍存在于自然界中,例如银河系旋臂,飓风等。磁性涡旋是一种典型低维受限的纳米磁畴结构,其对称性由极性和旋性来共同定义。在纳米尺度上实现对低维自旋结构可逆的、低能耗的调控,对于自旋电子学器件在未来的应用是十分重要的。

在过去十几年中,人们已经通过磁场、自旋极化电流等传统手段实现了对磁涡旋极性以及旋性的翻转控制。近年来,利用弹性耦合效应实现电场对磁性的可靠控制有助于实现更低的信息处理功耗,然而,普遍采用的磁-电-弹耦合特性在集成的薄膜器件中受到强烈的衬底束缚,对磁性涡旋的定向控制带来挑战。

北京理工大学黄厚兵研究员、北京师范大学张金星教授和清华大学南策文院士课题组合作将坡莫合金岛沉积在层状钙钛矿钨酸铋Bi2WO6薄膜上,利用双轴平面电场实现了对磁性涡旋中旋性的定向翻转。得益于钨酸铋薄膜铁弹性翻转势垒低的特点,外电场易驱动铁弹性畴壁的面内运动,提供了空间动态应变从而驱动磁性涡旋翻转。电场依赖的电畴和磁畴分析,结合相场模拟直观地揭示了其动态翻转机理:动态应变将磁性涡旋的中心拖拽至边缘,然后一个伴随着反向旋性的涡旋中心出现在了另一边缘,进而导致了磁性涡旋最终的可逆翻转。

该工作为定向调控纳米尺度的手性自旋结构,如磁性涡旋、斯格明子等,提供了新的思路。同时,也为众多致力于实现电场控制电荷、自旋、晶格等序参量的研究人员提供了一种全新的铁弹性薄膜体系。

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相关研究以“Deterministic reversal of single magnetic vortex circulation by anelectric field”为题发表于Science Bulletin 2020年第15期。 该研究得到了科技部重点研究发展计划、自然科学基金科学中心项目、美国能源部材料科学与工程部量子材料项目、科学联盟联合指导研发项目的资助和支持。

文章信息:

Yuelin Zhang, Chuanshou Wang, Houbing Huang, Jingdi Lu, Renrong Liang, Jian Liu, Renci Peng, Qintong Zhang, Qinghua Zhang, JingWang, Lin Gu, Xiu-Feng Han, Long-Qing Chen, Ramamoorthy Ramesh, Ce-Wen Nan, Jinxing Zhang. Deterministic reversal of single magnetic vortex circulation by an electric field. Science Bulletin, 2020,65(15): 1264-1271 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592732030219X?via%3Dihub


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