日本理化學研究所（簡稱「理研」）創發物性科學研究中心量子奈米磁性研究小組的基礎科學特別研究員橫内智行，與東京大學物性研究所的大谷義近教授等人組成的聯合研究團隊，利用沿物質表面傳播的超音波的一種「表面聲波」，在抑制發熱的同時成功生成了「斯格明子」，並查清了其生成原理。
該研究成果有助於確立高效的斯格明子生成方法，從而實施採用拓撲磁結構之一——斯格明子的新一代低功耗非易失性存儲元件、邏輯元件和神經形態元件等。
此次，聯合研究團隊將鉑（Pt）/鈷（Co）/銥（Ir）層壓薄膜加工成具有激發表面聲波的電極的元件，並用顯微鏡觀察了激發表面聲波時的磁結構變化。結果顯示，在抑制利用常規方法存在課題的層壓薄膜發熱的同時，生成了斯格明子。另外還透過類比應答，生成的是奈爾型斯格明子，在其生成程序中，可能會成對生成奈爾斯格明子和反斯格明子這兩種位相結構各異的斯格明子。
透過表面聲波生成斯格明子
研究背景
近年來，業界積極研究了新一代低功耗、高密度、非易失性存儲元件。作爲候選之一的是名爲「斯格明子」的顆粒狀自旋結構。斯格明子中心的自旋與外側的自旋方向是相反的，中間部分的自旋方向會連續變化。根據中間部分的自旋方向變化方式的不同，斯格明子分爲多種類型，哪種類型的斯格明子穩定取決於生成的物質的結構（圖1）。
圖1：斯格明子的模式圖
三種類型的斯格明子的俯視模式圖。箭頭表示自旋方向。外側的自旋（紅色箭頭）朝上（圖中靠前的方向）、中心的自旋（藍色箭頭）朝下（圖中靠後的方向），二者之間的自旋連續由上向下變化。根據變化方式分類。
呈拓撲磁結構的斯格明子具有不容易被溫度和磁場等外部干擾破壞、能抑制發熱並以低電流驅動等特性，因此採用斯格明子的低功耗、高可靠性元件的實施備受期待。尤其是在重金屬和磁性金屬的層壓薄膜中，已經應答中間部分自旋朝外的「奈爾斯格明子」在室溫以上的溫度下也保持穩定，實際用途備受關注。
另一方面，要想將斯格明子用於低功耗元件，不僅是斯格明子驅動，還需要抑制生成時的發熱。但此前那種利用電流在層壓薄膜中生成斯格明子的方法存在發熱嚴重的課題。而且這種方法需要將薄膜加工成特殊形狀，還存在僅薄膜的特定部分才生成斯格明子的問題。
研究方法與成果
此次，聯合研究團隊着眼於沿物質表面傳播的超音波「表面聲波」。在施加電場後可以伸縮的壓電材料上製作梳狀電極，然後施加交流電場，能抑制發熱並激發表面聲波。另外，表面聲波可進行毫米級的長距離傳播。已知在表面聲波引起的磁性材料應變和自旋之間存在名爲磁彈性耦合的相輔作用，因此可透過表面聲波控制磁結構。
聯合研究團隊首先形成了鉑（Pt）/鈷（Co）/銥（Ir）層壓薄膜，並將其加工成具有能激發表面聲波的梳狀電極的元件（圖2）。然後利用熱象儀應答，向梳狀電極施加交流電場激發表面聲波時，Pt/Co/Ir薄膜的溫度幾乎沒有升高（圖3）。
圖2：元件結構的顯微鏡影像
實驗使用的元件的顯微鏡影像。中間的紅色虛線圈住的部分爲Pt/Co/Ir層壓膜，兩側爲激發表面聲波的梳狀電極。
圖3：激發表面聲波引起的溫度擧升
（上）利用熱象儀拍攝的激發表面聲波之前（左）和激發過程中（右）的溫度分布。可以看出薄膜區域（白色方形）的溫度幾乎沒有變化。
（下）薄膜區域的平均溫度與激發表面聲波的交流訊號強度之間的關係圖。可以看出，即使強化交流訊號的強度，溫度也幾乎沒有變化。
接下來，研究人員利用可觀察磁結構的磁光克爾顯微鏡，觀察了激發表面聲波時的磁結構變化。首先，向垂直度方向施加磁場，形成所有自旋全部朝向同一個方向的鐵磁狀態，在該狀態下激發表面聲波，生成了斯格明子（圖4）。
研究人員詳細調查了斯格明子的生成對施加給梳狀電極的交流電場的頻率和強度的依賴性，應答觀測到的斯格明子是透過表面聲波生成的。斯格明子能在數百微米（μm，1μm爲100萬分之1米）左右的大範圍内生成，可能是因爲表面聲波具有長距離傳播的特性。
圖4：透過表面聲波生成斯格明子
利用磁光克爾顯微鏡拍攝的激發表面聲波之前（上）和激發過程中（下）的磁結構。均勻的灰色影像（上）表示鐵磁狀態。白色斑點（下）爲斯格明子。向垂直度方向施加磁場。
最後，爲查清觀測到的斯格明子的生成起源和程序，聯合研究團隊進行了類比。首先在類比中假說存在磁彈性耦合時，應答可透過表面聲波生成斯格明子。然後詳細調查了類比結果，發現斯格明子的生成程序如下。首先，表面聲波透過磁彈性耦合產生空間不均勻的有效扭矩，這種不均勻的有效扭矩使自旋局部反轉。
此時，反轉部分的自旋結構爲奈爾斯格明子和反斯格明子的成對結構。但在層壓薄膜中，奈爾斯格明子穩定，而反斯格明子不穩定，因此這種成對結構中的反斯格明子結構會立即消失，最終只生成奈爾斯格明子。
未來展望
此次研究着眼於表面聲波與自旋之間的相輔作用，並在抑制發熱的同時，成功地在薄膜樣本的大範圍内生成了斯格明子。
今後，透過推進利用表面聲波控制斯格明子的研究，有望實施採用斯格明子的低功耗元件。
論文資訊
題目：Creation of magnetic skyrmions by surface acoustic waves
期刊：《Nature Nanotechnology》
DOI：10.1038/s41565-020-0661-1
文：JST客觀日本編輯部
