磁性各向异性与梯度诱导Dzyaloshinskii-Moriya相互作用对磁斯格明子形成的调控机制研究

这篇综述系统探讨了梯度成分工程CoPt单层薄膜（g-CoPt）中磁斯格明子（skyrmions）的稳定机制，揭示了磁性各向异性（magnetic anisotropy）与梯度诱导Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（g-DMI）的协同效应。通过磁力显微镜（MFM）、布里渊光散射（BLS）和拓扑霍尔效应（THE）等多尺度表征，结合微磁模拟，阐明了薄膜厚度（10–30 nm）、梯度极性（Δx=±50%）对斯格明子尺寸、密度及螺旋性（helicity）的调控规律，为高密度自旋电子器件设计提供了新思路。

　　

摘要

拓扑自旋结构如磁斯格明子（skyrmions）因其在下一代高密度、低能耗自旋电子器件中的潜力备受关注。传统上，斯格明子通过界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）在磁性多层膜中稳定，而近期研究发现，10 nm厚梯度成分CoPt单层（g-CoPt）可通过体相梯度诱导DMI（g-DMI）稳定布洛赫型斯格明子。然而，g-CoPt薄膜的磁性各向异性对Co/Pt成分比和厚度高度敏感，与g-DMI形成复杂互作。本研究通过系统实验与模拟，揭示了g-DMI和磁性各向异性对斯格明子特性的协同调控机制。

1 引言

磁斯格明子是具有拓扑保护的纳米级自旋结构，其稳定性依赖于DMI——源于强自旋轨道耦合（SOC）和反演对称性破缺。梯度成分工程通过引入空间变化的Co/Pt比例（Δx=±50%），在单层薄膜中实现可调g-DMI。研究聚焦g-CoPt薄膜（厚度10–30 nm）中斯格明子的形成动力学，结合布里渊光散射（BLS）证实g-DMI的符号和幅度与梯度极性相关，磁力显微镜（MFM）则显示斯格明子尺寸和密度随厚度、梯度极性及外场变化。

2 结果与讨论

2.1 g-CoPt薄膜的结构与磁特性

X射线衍射（XRD）显示梯度薄膜的晶格结构与非梯度薄膜存在差异，原子力显微镜（AFM）证实表面粗糙度低于1.5 nm。超导量子干涉仪（SQUID）测量表明，Δx=+50%薄膜的有效磁各向异性（K_eff）显著高于Δx=?50%样品（如30 nm薄膜分别为167 kJ/m³和15.7 kJ/m³）。BLS光谱进一步揭示g-DMI随有效梯度参数Δx/t增大而增强，例如10 nm薄膜的DMI常数达0.51 mJ/m²。

2.2 MFM成像与自旋织构演化

拓扑霍尔效应（THE）信号与MFM成像关联分析表明，斯格明子密度在从多畴态（polydomain）向饱和磁化转变过程中显著升高。例如，30 nm Δx=+50%薄膜中，斯格明子密度比均匀态高一个数量级。这种不对称性源于不同初始态下斯格明子形成的能量壁垒差异。

2.3 微磁模拟与能量壁垒计算

Mumax3模拟显示，增加薄膜厚度会增强磁偶极相互作用，促进布洛赫型斯格明子形成。最小能量路径（MEP）计算证实，从多畴态形成斯格明子的能量成本接近零，而均匀态需克服更高壁垒。此外，30 nm薄膜中斯格明子域壁角度呈现厚度依赖性扭转，接近界面处表现为奈尔型（Néel-type）螺旋性，以减少杂散场能量。

3 结论

研究明确了g-DMI和磁性各向异性对斯格明子稳定的竞争机制：薄膜（10 nm）中g-DMI主导斯格明子形成，而厚膜（30 nm）中磁偶极相互作用和高各向异性起关键作用。梯度极性调控DMI矢量方向，为设计可编程自旋拓扑结构提供了新途径。未来研究可探索电流驱动下斯格明子动力学行为及极端梯度条件下的螺旋性调控。

4 实验方法

g-CoPt薄膜通过磁控溅射在SrTiO₃（111）衬底上生长，利用物理性质测量系统（PPMS）和磁光克尔效应（MOKE）表征THE和磁滞回线。微磁模拟采用2.5 nm网格尺寸，交换刚度A_ex=10 pJ/m，Gilbert阻尼系数α=1用于能量最小化计算。