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应变诱发锰氧化物中的磁涡旋结构

Science China Press

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IMAGE: (a)模拟显示了0.5 μm宽的La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)线上的应力释放,纳米线阵列是通过对在LaAlO3(LAO)衬底上生长的LSMO薄膜进行纳米刻蚀技术来实现的;(b)零场冷却(ZFC)后在4 K下测得的MFM图像;(c)纳米线中磁畴的相场模拟;(d)对该LSMO纳米线的应变分析,该应变显示为不同宽度的归一化的函数(左图),这些纳米线相应的模拟磁畴结果示于右图;(e)LSMO / LAO的高角度环形暗场(HAADF)扫描隧道电子显微镜(STEM)图像;(f)基于磁涡旋团簇状态而设计的原型器件示意图。 view more 

Credit: ©《中国科学》杂志社

近年来,磁性纳米材料中的新奇自旋结构(包括手性磁畴壁、磁涡旋和磁斯格明子等)受到了广泛的关注。在纳米尺度的非共线自旋结构中,磁涡旋是一种典型的受限磁畴,其对称性取决于涡旋的极性和手性。磁涡旋具有纳米尺度的稳定性和纳秒级时间尺度的超控能力,有望成为新一代高速度、高密度磁存储设备的核心结构[1]。

最近,人们在具有强电子关联特性的锰氧化物中发现了一些新奇现象:例如非易失性可调磁阻[2],超低电流引起的畴壁运动[3],各向异性电阻转换[4],拓扑霍尔效应[5]和高频自旋波传播[6]等,而且这些新奇特性与其介观尺度磁畴结构紧密相关。锰氧化物中的磁畴对各种外场刺激敏感,例如应变、尺寸、电场/磁场等,这使其成为控制自旋结构(例如涡旋,手性畴壁)的理想模型体系。然而,通常磁涡旋只能在空间受限的纳米结构(如方形、三角形和圆盘形的纳米岛)中观察到,并且形状诱导的磁各向异性被广泛认为是形成磁涡旋的主要机制。

SCIENCE BULLETIN最新一期文章中[7],中国研究小组与德国科学家合作,通过变温磁力显微镜(VT-MFM)和原位磁阻测量技术,发现可以通过人工设计应变状态来稳定外延La0.67Sr0.33MnO3 (LSMO)晶体中的磁涡旋团簇。基于相场建模,该一维锰氧化物中的磁涡旋态源自不均匀应变。单轴应变释放引起的磁各向异性的增强,及与形状各向异性的竞争,在稳定磁通闭合自旋结构中起着重要作用。这项工作提供了一种在强关联磁性材料中构建新奇自旋结构的新方法,为未来设计高密度、高速度磁电子器件提供了新的思路。

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这项工作得到了中国科技部重点研究发展计划(2016YFA0302300),北京自然科学基金(项目号Z190008),和中国国家自然科学基金(批准号11974052和11474024)的资助。 J. X.感谢北京同步辐射装置的1W1A线站。 X. W.感谢中国国家自然科学基金(批准号11604011)和北京理工大学青年学者研究基金计划。 J. W.感谢中国国家自然科学基金(批准号:11672264,11621062)。美因茨的研究小组感谢德国研究基金会DFG SFB TRR173 Spin+X(项目号KL1811 / 18)和美因茨卓越材料科学研究生院(GSC266)的支持。北京大学的工作得到了中国国家重点研发计划(2016YFA0300804),国家自然科学基金(批准号11974023、51672007),广东省重点研发计划(2018B030327001,2018B010109009)的支持。P. G感谢北京大学电子显微镜实验室提供Cs校正电子显微镜。

参考文献

[1] Shinjo, T., et al., "Magnetic vortex core observation in circular dots of permalloy", Science 289, 930 (2000).

[2] Yang, W., et al., “Achieving large and nonvolatile tunable magnetoresistance in organic spin valves using electronic phase separated manganites”, Nature Communications 10, 3877 (2019).

[3] Wang, J., et al., “Magnetic domain-wall motion twisted by nanoscale probe-induced spin transfer”, Physical Review B 90, 224407 (2014).

[4] Wang, X., et al., “Anisotropic resistance switching in hexagonal manganites”, Physical Review B 99, 054106 (2019).

[5] Vistoli, L., et al. “Giant topological Hall effect in correlated oxide thin films”, Nature Physics 15, 67 (2019).

[6] Liu, C., et al., “Current-controlled propagation of spin waves in antiparallel, coupled domains”, Nature Nanotechnology 14, 691 (2019).

[7] Iftikhar Ahmed Malik#, Houbing Huang#, Yu Wang#, Xueyun Wang, Cui Xiao, Yuanwei Sun, Rizwan Ullah, Yuelin Zhang, Jing Wang, Muhammad Abdullah Malik, Irfan Ahmed, Changmin Xiong*, Simone Finizio, Mathias Kläui, Peng Gao, Jie Wang* and Jinxing Zhang*, “Inhomogeneous-strain-induced magnetic vortex cluster in one-dimensional manganite wire”, Science Bulletin, 2020, 65(3):201-207, doi: 10.1016/j.scib.2019.11.025 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927319306814

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