日本理化学研究所（简称“理研”）创发物性科学研究中心量子纳米磁性研究小组的基础科学特别研究员横内智行，与东京大学物性研究所的大谷义近教授等人组成的联合研究团队，利用沿物质表面传播的超声波的一种“声表面波”，在抑制发热的同时成功生成了“斯格明子”，并查清了其生成原理。
该研究成果有助于确立高效的斯格明子生成方法，从而实现采用拓扑磁结构之一——斯格明子的新一代低功耗非易失性存储元件、逻辑元件和神经形态元件等。
此次，联合研究团队将铂（Pt）/钴（Co）/铱（Ir）层压薄膜加工成具有激发声表面波的电极的元件，并用显微镜观察了激发声表面波时的磁结构变化。结果显示，在抑制利用常规方法存在课题的层压薄膜发热的同时，生成了斯格明子。另外还通过模拟确认，生成的是奈尔型斯格明子，在其生成过程中，可能会成对生成奈尔斯格明子和反斯格明子这两种拓扑结构各异的斯格明子。
通过声表面波生成斯格明子
研究背景
近年来，业界积极研究了新一代低功耗、高密度、非易失性存储元件。作为候选之一的是名为“斯格明子”的颗粒状自旋结构。斯格明子中心的自旋与外侧的自旋方向是相反的，中间部分的自旋方向会连续变化。根据中间部分的自旋方向变化方式的不同，斯格明子分为多种类型，哪种类型的斯格明子稳定取决于生成的物质的结构（图1）。
图1：斯格明子的模式图
三种类型的斯格明子的俯视模式图。箭头表示自旋方向。外侧的自旋（红色箭头）朝上（图中靠前的方向）、中心的自旋（蓝色箭头）朝下（图中靠后的方向），二者之间的自旋连续由上向下变化。根据变化方式分类。
呈拓扑磁结构的斯格明子具有不容易被温度和磁场等外部干扰破坏、能抑制发热并以低电流驱动等特性，因此采用斯格明子的低功耗、高可靠性元件的实现备受期待。尤其是在重金属和磁性金属的层压薄膜中，已经确认中间部分自旋朝外的“奈尔斯格明子”在室温以上的温度下也保持稳定，实际用途备受关注。
另一方面，要想将斯格明子用于低功耗元件，不仅是斯格明子驱动，还需要抑制生成时的发热。但此前那种利用电流在层压薄膜中生成斯格明子的方法存在发热严重的课题。而且这种方法需要将薄膜加工成特殊形状，还存在仅薄膜的特定部分才生成斯格明子的问题。
研究方法与成果
此次，联合研究团队着眼于沿物质表面传播的超声波“声表面波”。在施加电场后可以伸缩的压电材料上制作梳状电极，然后施加交流电场，能抑制发热并激发声表面波。另外，声表面波可进行毫米级的长距离传播。已知在声表面波引起的磁性材料应变和自旋之间存在名为磁弹性耦合的相互作用，因此可通过声表面波控制磁结构。
联合研究团队首先形成了铂（Pt）/钴（Co）/铱（Ir）层压薄膜，并将其加工成具有能激发声表面波的梳状电极的元件（图2）。然后利用热象仪确认，向梳状电极施加交流电场激发声表面波时，Pt/Co/Ir薄膜的温度几乎没有升高（图3）。
图2：元件结构的显微镜图像
实验使用的元件的显微镜图像。中间的红色虚线圈住的部分为Pt/Co/Ir层压膜，两侧为激发声表面波的梳状电极。
图3：激发声表面波引起的温度上升
（上）利用热象仪拍摄的激发声表面波之前（左）和激发过程中（右）的温度分布。可以看出薄膜区域（白色方形）的温度几乎没有变化。
（下）薄膜区域的平均温度与激发声表面波的交流信号强度之间的关系图。可以看出，即使增强交流信号的强度，温度也几乎没有变化。
接下来，研究人员利用可观察磁结构的磁光克尔显微镜，观察了激发声表面波时的磁结构变化。首先，向垂直方向施加磁场，形成所有自旋全部朝向同一个方向的铁磁状态，在该状态下激发声表面波，生成了斯格明子（图4）。
研究人员详细调查了斯格明子的生成对施加给梳状电极的交流电场的频率和强度的依赖性，确认观测到的斯格明子是通过声表面波生成的。斯格明子能在数百微米（μm，1μm为100万分之1米）左右的大范围内生成，可能是因为声表面波具有长距离传播的特性。
图4：通过声表面波生成斯格明子
利用磁光克尔显微镜拍摄的激发声表面波之前（上）和激发过程中（下）的磁结构。均匀的灰色图像（上）表示铁磁状态。白色斑点（下）为斯格明子。向垂直方向施加磁场。
最后，为查清观测到的斯格明子的生成起源和过程，联合研究团队进行了模拟。首先在模拟中假设存在磁弹性耦合时，确认可通过声表面波生成斯格明子。然后详细调查了模拟结果，发现斯格明子的生成过程如下。首先，声表面波通过磁弹性耦合产生空间不均匀的有效扭矩，这种不均匀的有效扭矩使自旋局部反转。
此时，反转部分的自旋结构为奈尔斯格明子和反斯格明子的成对结构。但在层压薄膜中，奈尔斯格明子稳定，而反斯格明子不稳定，因此这种成对结构中的反斯格明子结构会立即消失，最终只生成奈尔斯格明子。
未来展望
此次研究着眼于声表面波与自旋之间的相互作用，并在抑制发热的同时，成功地在薄膜样本的大范围内生成了斯格明子。
今后，通过推进利用声表面波控制斯格明子的研究，有望实现采用斯格明子的低功耗元件。
论文信息
题目：Creation of magnetic skyrmions by surface acoustic waves
期刊：《Nature Nanotechnology》
DOI：10.1038/s41565-020-0661-1
文：JST客观日本编辑部
