电场诱导的多铁性拓扑孤子

2024-06-03 Mon
电场诱导多铁性拓扑孤子在BiFeO3薄膜中的研究学术背景拓扑保护的磁结构在磁性材料中被预测为拓扑信息技术的有力工具。然而，由于反铁磁材料对磁场的不敏感性，未来的磁孤子技术可能更加依赖于反铁磁材料。最近，复杂的拓扑对象已在本征反铁磁体中被发现，但如何用能量高效的方法控制它们的成核、稳定和操控仍是一个巨大的挑战。在磁电耦合的反铁磁多铁性材料中设计拓扑极化状态，可以让我们用电场来写入、检测和擦除反铁磁拓扑结构。
论文来源这篇论文题为《Electric-field-induced multiferroic topological solitons》，由Arthur Chaudron, Zixin Li, Aurore Finco, Pavel Marton, Pauline Dufour, Amr Abdelsamie, Johanna Fischer, Sophie Collin, Brahim Dkhil, Jirka Hlinka, Vincent Jacques, Jean-Yves Chauleau, Michel Viret, Karim Bouzehouane, Stéphane Fusil和Vincent Garcia共同撰写。作者们分别来自CNRS, Thales, Université Paris-Saclay, 以及法国、捷克共和国的多所知名科研机构。论文发表于《Nature Materials》杂志。
研究流程研究总体流程样品制备与处理
BiFeO3薄膜在(110)取向的DyScO3和SmScO3基板上通过脉冲激光沉积生长。
通过电子束光刻和旋涂铂电极形成纳米结构。
极化状态的写入
电场作用下，利用原子力显微镜的导电探针在800nm的盘形图案中心写入头对头或尾对尾的四象限极化纹理。
极化和反铁磁结构的表征
使用压电响应力显微术（PFM）和扫描NV磁力显微术（SFM）表征极化和反铁磁结构。
数据处理和模拟
利用PFM数据生成极化向量图，并基于这些数据进行原子自旋模拟。
使用磁场模拟得出反铁磁自旋的外型磁场图。
实验方法与步骤材料和设备薄膜生长： 使用KrF准分子激光器进行脉冲激光沉积。
电极图案化： 使用电子束光刻和溅射沉积铂电极。
中心域写入： 利用导电探针施加电场形成极化纹理，电压设置为+50V或-50V。
表征工具： 采用原子力显微镜（Bruker Nanoscope V Multimode）和扫描NV磁力显微术（Qnami Proteus Q）。
数据处理极化图生成： 通过PFM的相位和幅度测量提取极化向量图。
自旋纹理模拟： 基于实验测得的极化域图进行原子自旋模拟，并利用NV磁力显微术数据进行校准。
研究对象使用BiFeO3薄膜在不同应变下形成的极化结构和相应的反铁磁自旋结构。
研究结果主要结果压电响应与极化域： 利用PFM描绘出不同应变下的极化中心域状态。电场作用下形成的头对头和尾对尾极化纹理清晰可见。
反铁磁自旋结构： 在压缩应变下，观察到独特的反铁磁旋涡；在拉伸应变下，观察到四象限伪共线G型反铁磁排列。
仿真与验证： 原子自旋模拟结果与实际测量结果高度一致，证实了不同极化状态下自旋纹理的稳定性和可控性。
结论该研究展示了通过电场诱导在BiFeO3薄膜中形成两种不同的多铁性拓扑结构。压缩应变下，成核了反铁磁旋涡，这些旋涡与极化中心域紧密耦合；拉伸应变下，生成了四象限伪共线G型反铁磁结构。所有的多铁性纹理都可通过简单的电脉冲实现可逆性写入，这为多铁性拓扑存储器的开发奠定了基础。
研究的亮点能量高效的操控方法： 研究展示了通过电场控制极化和反铁磁结构的能量高效方法。
多铁性拓扑结构的设计： 实现了两种不同应变下的多铁性拓扑结构设计。
反铁磁自旋的可控性： 利用电场实现了对反铁磁自旋的精确控制，为拓扑信息技术应用提供了新的可能性。
研究的意义与价值这项研究不仅在实验上证实了电场控制下的多铁性拓扑结构的可行性，而且揭示了反铁磁自旋与极化域的密切耦合关系。通过了解和控制BiFeO3薄膜中的自旋纹理，研究为开发新一代拓扑信息存储器奠定了基础。未来，通过优化这些多铁性材料，可以实现更高效、更稳定的多铁性存储器件。