研究人员已经开发出一种方法来创建和稳定复杂的自旋纹理，如径向涡流，利用超导结构和表面缺陷。这一进步可以通过允许使用各种铁磁材料，并以更低的功耗增强数据存储和逻辑运算，从而显著影响自旋电子学。来源:SciTechDaily.com
HZB的一个团队在BESSY II研究了一种新的、简单的方法，可以用来在磁性薄膜中产生稳定的径向磁涡流。
在一些材料中，自旋在纳米和微米尺度内形成复杂的磁性结构，其中磁化方向沿着特定方向扭曲和卷曲。这种结构的例子是磁泡、天幕和磁漩涡。
与当今占主导地位的微电子元件相比，自旋电子学的目标是利用这种微小的磁性结构来存储数据或以极低的功耗执行逻辑运算。然而，大多数磁性纹理的产生和稳定仅限于几种材料，并且在非常特定的条件下(温度，磁场……)可以实现。
新方法
由HZB物理学家Sergio Valencia博士领导的一项国际合作研究了一种新方法，该方法可用于在各种化合物中创建和稳定复杂的自旋纹理，例如径向涡。在径向涡旋中，磁化指向或远离结构的中心。这种类型的磁结构通常是高度不稳定的。在这种新颖的方法中，径向涡流是在超导结构的帮助下产生的，而它们的稳定是通过表面缺陷的存在来实现的。
由Sergio Valencia领导的研究小组利用BESSY II的XMCD光电子显微镜对样品进行了分析。图像显示了在超导YBCO岛上由铁磁材料组成的圆形和方形样品中径向排列的自旋纹理。白色箭头表示入射的x射线束。资料来源:©HZB
Superconducting YBCO-Islands
样品由微米大小的岛组成，由高温超导体YBCO组成，上面沉积有铁磁性化合物。当样品冷却到92开尔文(-181℃)以下时，YBCO进入超导状态。在这种状态下，施加外部磁场并立即移除。这个过程允许磁通量子的穿透和固定，这反过来又产生了一个磁场杂散场。正是这种杂散场在其上的铁磁层中产生了新的磁性微观结构:自旋从结构中心径向发散，就像在径向涡旋中一样。
缺陷的作用
随着温度的升高，YBCO从超导态过渡到正常态。因此，YBCO岛产生的杂散场消失了，磁径向涡也应该消失。然而，HZB的研究人员和合作者已经观察到，表面缺陷的存在阻止了这种情况的发生:即使在接近室温的情况下，径向涡旋也会部分保持印迹状态。
“我们利用超导结构产生的磁场在放置在它们上面的铁磁体上印上某些磁畴，并利用表面缺陷来稳定它们。这种磁性结构类似于skyrmion，对于自旋电子应用来说很有趣，”瓦伦西亚解释说。
几何问题
较小的印记漩涡直径约为2微米，大约是典型天空漩涡大小的十倍。研究小组研究了圆形和方形几何形状的样品，发现圆形几何形状增加了印迹磁径向涡流的稳定性。
“这是一种创造和稳定这种结构的新方法，它可以应用于各种铁磁材料。这是超导自旋电子学进一步发展的良好新前景，”瓦伦西亚说。
参考:“超导杂散场对径向涡旋磁结构的尺寸依赖性和高温稳定性”，作者:David Sanchez-Manzano, Gloria Orfila, Anke Sander, Lourdes Marcano, Fernando Gallego, mohammad - assaad Mawass, Francesco Grilli, Ashima Arora, Andrea Peralta, Fabian A. Cuellar, Jose A. Fernandez-Roldan, Nicolas Reyren, Florian Kronast, Carlos Leon, Alberto Rivera-Calzada, Javier E. Villegas, Jacobo Santamaria和Sergio Valencia, 2024年4月2日ACS应用材料与接口。DOI: 10.1021 / acsami.3c17671
