グラフェン/強磁性金属界面のトポグラフィック磁気構造のメカニズムに関する研究の進歩

トポロジー的に保護された磁気渦構造である磁気シグモイド（図1）は、ナノスケールで不揮発性であり、駆動が容易であるため、情報ストレージ、ロジック操作、またはニューラルネットワークテクノロジーに最適です。この分野は、近年のスピントロニクスの研究のホットスポットです。ただし、スピントロニクスデバイスでの磁気シグモイドの適用は、室温での安定性、制御可能な読み取りと書き込み、高密度、現在の磁気ストレージ構造との互換性などの問題を解決する必要があります。上記の問題を解決するための物理的な本質は、適切なDzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）と垂直磁気異方性材料構造を見つけることです。

図1磁性シグモイド構造とCo（Ni）/グラフェン構造の模式図

中国科学院の材料工学研究所の研究者であるHongxinYangは、2012年からDMIに取り組んでいます。彼は、Mairbek Chshiev教授、Andrea Thiaville教授、ノーベル賞受賞者のAlbert Fertと協力して、第一原理コンピューティングインターフェースDMI。第一原理の観点から、強磁性金属と重金属の界面であるFert-LevyタイプのDMIの物理的イメージを明らかにすることに成功しました（左の図2を参照）[HYetetal.Phys.Rev.Lett.115,267210（2015）; O.Boulle、J。Vogel、HYetal。 NatureNanotech。 11、449（2016）]、強磁性金属と重金属の界面も現在のトポロジカル磁気構造の最も研究されているシステムですが、Fert-Levyメカニズムでは、大きなDMIを生成するために強力なSOCを提供する非磁性基板が必要です（図2）の左上では、基板材料の選択は5dおよびその他の重金属材料から行われ、重金属の存在は一般にメモリデバイスの読み取りおよび書き込み効率に影響を与え、業界で一般的に使用される磁気トンネルです。 。ジャンクションメモリ構造には互換性がないため、製造プロセスが複雑になります。したがって、重金属の限界をどのように突破するか、つまり、Fert-Levyメカニズムを突破してより大きなDMIを達成するかは、現場の問題の1つになります。

図2Fert-LevyタイプのDMIとラシュバ効果によって引き起こされるDMI

この問題を解決するために、Hongxin Yangと彼の共同研究者は、強磁性金属とグラフェンの間の界面について詳細な研究を行ってきました。構造を図1に示します。単層Coとグラフェンの間の界面が最大1.14meVのDMIを誘発できることがわかります。 Coとグラフェンの3層間の界面は、0.49meVの強度でDMIを誘発することができ、その強度は、いくつかの強磁性金属/重金属界面DMIの強度と比較できます。さらに興味深いのは、システムの物理的メカニズムがFert-Levyとは完全に異なることです。タイプDMI、図2からわかるように、Co / Pt構造では、DMIは界面強磁性層Co層で最大であり、そのエネルギー源、つまりSOCエネルギーはCo層からではなく、貴金属Pt層の界面;グラフェン/ Coでは、DMIとSOCの両方のエネルギーがCo層にあります。違いの物理的な原因は、グラフェン/ Coの界面のDMIがラシュバ効果によって誘導されたDMIであり（図2を参照）、Co / Pt界面がFertであるためです。 -徴税タイプ。ラシュバ効果によって誘発されるDMIを検証するために、Hongxin Yangと彼の共同研究者は、第一原理によってさまざまな磁気方向のエネルギーバンド変動をさらに計算し、ラシュバ係数を計算しました。 DMIサイズはラシュバ係数から0.18meVと計算され、第一原理が使用されました。計算された0.49meVは同じオーダーです（図3）[HYetal。 NatureMaterials（2018）doi：10.1038 / s41563-018-0079-4]。

図3は、グラフェン/ Coインターフェースのラシュバ効果によって引き起こされるDMIを計算します

理論計算と同期して、Chen Gong博士（この作品の共同筆頭著者）とLawrence Berkeley NationalLaboratoryのAndreasSchmid教授は、Co / GrapheneインターフェイスのDMIを実験的に測定しました。図4に示すように、DMIはRu / Coインターフェースで-0.05meV、Ru / Co /グラフェンデュアルインターフェースで0.11meVです。 Co /グラフェン界面のDMIは0.16meVと計算でき、第一原理が使用されます。これは、ラシュバ効果によって計算されたDMIとよく一致しています。

図4SPLEEM、界面DMIによるRu / Co /グラフェンとRu / Coの磁区変化を調べ、Co /グラフェン界面DMIを取得する実験

最後に、グラフェン/ Co界面でのDMIカイラリティが反時計回りであることを考慮すると、グラフェン/ Ni構造では、Niの厚さが2原子層よりも薄い場合、DMIは時計回りであるため、構造を積み重ねてグレフェン/ Niを逆にすることができます。 Ni /グラフェンに変換してそのDMIカイラリティを逆転させ、それによってグラフェン/ Co / Ni /グラフェン多層構造におけるDMIの強化を実現します。さらに興味深いことに、この構造では垂直磁気異方性も異なります。接合部の数が増えると、多層スタッキングは垂直磁気異方性とDMIを同時に調整するため、トポロジカル磁気構造を調整するためのオプションが増えます（図5を参照）。

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図5強磁性層の厚さが変化したCo（Ni）/グラフェン界面DMI（左）、DMIとPMAがヘテロ接合で変化したグラフェン/ Co / Ni /グラフェン多層膜（右）

要約すると、グラフェンと強磁性金属の間の界面は、Fert-Levyモデルとは異なる大きなDMIを達成できます。物理的メカニズムは、界面DMIの重金属への依存性を破壊するラシュバ効果によって引き起こされます。さらに、Co /グラフェン界面にも大きな垂直磁気異方性があり[HYetal.Nanoletters 16、145（2015）]、両方ともCo /グラフェン界面で簡単に調整できることを考慮すると、このシリーズは機能することが予想されます。 。それは、グラフェンスピントロニクスおよびトポロジー磁気構造におけるスピントロニクスおよびスピントロニクスの科学的研究および応用のためのより多くの可能性を提供します。

作業理論は、ヤン・ホンシンとフランスのグルノーブル大学、フランス国立科学研究センターとフランス原子力研究所、SPINTEC研究所教授Mairbek Chshiev、フランス国立科学研究センターとタレス共同物理研究所教授によって部分的に完成されました。アルベールフェール。 ChenGongとAndreasSchmidおよびその他の協力が完了しました。この作業は、欧州連合のHorizon 2020研究およびイノベーションプログラム（Graphene Flagship）と、フランスのANRULTRASKY、SOSPIN、Genci-Cinesプロジェクト、米国科学局、基礎エネルギー科学局、DOE、大統領マルチキャンパス研究局によってサポートされました。プログラムとイニシアチブ、および中央組織のYouth1000プロジェクトとNingbo3315プロジェクト。

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