自旋电子学迎来新突破 研究团队释放径向漩涡的能量

HZB 的一个团队在 BESSY II 研究了一种新的简单方法，这种方法可用于在磁性薄膜中产生稳定的径向磁涡流。在某些材料中，自旋会在纳米和微米尺度内形成复杂的磁性结构，其中磁化方向会沿着特定方向扭曲和卷曲。这类结构的例子包括磁气泡、天幕和磁旋涡。与当今主流的微电子元件相比，自旋电子学旨在利用这种微小的磁性结构来存储数据或执行逻辑运算，而且功耗极低。

然而，大多数磁纹理的产生和稳定仅限于少数几种材料，而且只能在非常特殊的条件下（温度、磁场......）实现。

由 HZB 物理学家 Sergio Valencia 博士领导的一个国际合作小组现已研究出一种新方法，可用于在各种化合物中创建和稳定复杂的自旋纹理，如径向漩涡。在径向旋涡中，磁化指向或远离结构中心。这种类型的磁性构造通常非常不稳定。在这种新方法中，径向漩涡是在超导结构的帮助下产生的，而其稳定则是通过表面缺陷的存在来实现的。

Sergio Valencia 领导的研究小组在 BESSY II 使用 XMCD 光发射电子显微镜对样品进行了分析。图像显示了一个圆形和一个方形样品中径向排列的自旋纹理，这两个样品由超导 YBCO 岛上的铁磁材料组成。白色箭头表示入射的 X 射线束。图片来源：© HZB

超导 YBCO-Islands

样品由微米大小的由高温超导体 YBCO 制成的岛屿组成，在这些岛屿上沉积了铁磁化合物。当样品冷却到 92 开尔文（-181 °C）以下时，YBCO 进入超导状态。在这种状态下，施加外部磁场，然后立即移除。这一过程允许磁通量子的穿透和钉住，进而产生磁杂散场。正是这种杂散磁场在上覆铁磁层中产生了新的磁性微结构：自旋从结构中心向径向发射，就像径向漩涡一样。

随着温度的升高，YBCO 会从超导状态转变为正常状态。因此，YBCO 岛屿产生的杂散磁场会消失，磁性径向涡旋也应该消失。然而，HZB 研究人员及其合作者观察到，表面缺陷的存在阻止了这种情况的发生：径向漩涡部分保留了印记状态，即使在接近室温时也是如此。

"我们利用超导结构产生的磁场，在其上放置的铁磁体上形成特定的磁畴，并利用表面缺陷使其稳定。"瓦伦西亚解释说："这种磁性结构类似于天电离层，对自旋电子应用很有意义。"

几何结构至关重要

较小的印迹漩涡直径约为 2 微米，约为典型斯格明子的十倍。研究小组对具有圆形和方形几何结构的样品进行了研究，发现圆形几何结构提高了压印磁径向涡旋的稳定性。

"这是一种创建和稳定这种结构的新方法，它可以应用于各种铁磁材料。这些都为超导自旋电子学的进一步发展提供了良好的新前景。"

DOI: 10.1021/acsami.3c17671

编译来源：ScitechDaily