垂直磁化铁磁绝缘体中具有双稳态手性的奈尔畴壁及其电流驱动运动机制研究

研究人员针对自旋轨道力矩(SOT)驱动垂直磁各向异性(PMA)薄膜中奈尔(Néel)畴壁(DW)手性固定的技术瓶颈，在铕铁石榴石(EuIG)薄膜中通过面内(IP)单轴各向异性实现了无Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)的双稳态奈尔畴壁。该研究通过脉冲磁场实现手性切换，结合布洛赫线(BL)成核模型解析能量壁垒(0.61±0.07eV)，并首次观察到IP各向异性导致的非单调电流-速度关系。这项发表于《Nature Communications》的工作为畴壁存储器设计提供了新自由度，同时展示了基于手性随机切换的2比特随机数发生器原型。

　　

在自旋电子学领域，垂直磁各向异性(PMA)材料中的畴壁(DW)操控是构建赛道存储器和逻辑器件的核心。传统技术依赖Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)稳定奈尔(Néel)畴壁，但存在手性固定、切换耗时长等瓶颈。如何实现双稳态畴壁手性的非易失性存储及快速切换，成为制约器件发展的关键难题。

麻省理工学院的研究团队通过设计(110)取向的铕铁石榴石(EuIG)薄膜体系，发现其强面内(IP)单轴各向异性(H_k,IP
=5100 Oe)可替代DMI作用，首次实现了无DMI的双稳态奈尔畴壁。该材料通过晶格失配(GGG衬底12.376 ? vs EuIG 12.498 ?)产生磁弹各向异性，结合正磁致伸缩系数λ₁₁₁
/λ₁₀₀
形成独特双轴各向异性景观。研究证实IP场脉冲(330 Oe, 1s)可通过布洛赫线(BL)成核-传播机制可逆切换畴壁手性，其能量壁垒达23.5kT，远高于室温热扰动。

关键技术包括：(1)脉冲激光沉积制备12nm EuIG(110)/GGG异质结；(2)自旋霍尔磁阻(SMR)测量量化各向异性场(H_k,OOP
^eff
=2810 Oe)；(3)宽场磁光克尔效应(MOKE)实时观测畴壁运动；(4)XMCD-PEEM成像解析布洛赫线结构；(5)纳秒电流脉冲测量速度-电流密度关系。

双稳态奈尔畴壁的发现
通过EuIG/Pt异质结的SMR测量和XMCD-PEEM表征，发现沿[110]方向的IP单轴各向异性使畴壁中心自旋严格对齐易轴，形成完全奈尔构型。相较于传统DMI稳定机制，该体系允许两种手性共存(图1c)，其稳定条件满足H_k,IP

H_shape
=138 Oe。

手性切换的相图与能量壁垒
建立IP场脉冲幅值-宽度相图(图4b)显示，切换阈值H_x,c
^SW
与lnτ^SW
呈线性负相关。通过Arrhenius模型拟合获得BL成核能垒E_a
⁰
=0.61 eV，对应成核长度d_BL
≈20 nm(图5)。该过程遵循"成核主导"机制，BL传播速度极快(μs量级)。

电流驱动运动的独特行为
在流动区(flow regime)，畴壁速度呈现非单调依赖(图6c)：低电流区线性增长(μ=50 (m/s)/10¹¹
A/m²
)，峰值出现在7×10¹¹
A/m²
处。1D模型揭示这是IP各向异性场与SOT有效场竞争的结果——前者维持奈尔特性(ψ=0°)，后者诱导布洛赫特性(ψ=90°)，最大速度对应ψ=45°的混合态。

应用演示与理论突破
基于畴壁手性随机切换，构建了2比特随机数发生器原型(图7)，四态分布均匀度达25%。理论方面，首次实验测定BL成核参数，证实IP各向异性场(H_K,DW
=H_k,IP
-H_shape
=5000 Oe)比典型DMI场(H_D
=50 Oe)更能增强畴壁刚度，使峰值速度提升10倍。

这项研究突破了DMI对畴壁手性的限制，建立了IP各向异性稳定奈尔畴壁的新范式。其重要意义在于：(1)为赛道存储器提供可编程畴壁手性的新自由度；(2)揭示BL成核能垒为设计高稳定性存储单元提供参数依据；(3)非单调电流-速度关系拓展了自旋扭矩动力学认知；(4)随机数生成演示验证了拓扑结构在概率计算中的应用潜力。该成果将推动各向异性工程在磁存储器件中的创新应用。