Avances de la investigación sobre el mecanismo de la estructura magnética topográfica de la interfaz grafeno / metal ferromagnético

El sigmoide magnético, una estructura de vórtice magnético protegida topológicamente (Figura 1), es a nanoescala, no volátil y fácil de manejar, lo que la hace ideal para el almacenamiento de información, operaciones lógicas o tecnologías de redes neuronales. El campo es un punto caliente de la investigación de la espintrónica en los últimos años. Sin embargo, la aplicación de sigmoides magnéticos en dispositivos espintrónicos tiene que resolver problemas como la estabilidad a temperatura ambiente, lectura y escritura controlable, alta densidad y compatibilidad con las estructuras de almacenamiento magnético actuales. La esencia física de resolver los problemas anteriores es encontrar una adecuada interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) y una estructura de material de anisotropía magnética perpendicular.

Fig.1 Diagrama esquemático de la estructura sigmoidea magnética y la estructura de Co (Ni) / grafeno

Hongxin Yang, investigador del Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de la Academia de Ciencias de China, ha estado trabajando en DMI desde 2012. Ha trabajado con el profesor Mairbek Chshiev, el profesor Andrea Thiaville y el premio Nobel Albert Fert para desarrollar un método basado en sobre interfaces informáticas de primeros principios DMI. Revelado con éxito la imagen física de la interfaz de metales ferromagnéticos y metales pesados tipo DMI Fert-Levy desde la perspectiva de los primeros principios (ver Figura 2 a la izquierda) [HYetetal.Phys.Rev.Lett.115,267210 (2015); O.Boulle, J. Vogel, HYetal. NatureNanotech. 11, 449 (2016)], la interfaz de metales ferromagnéticos y metales pesados también es el sistema más estudiado de estructura magnética topológica actual, sin embargo, el mecanismo Fert-Levy requiere un sustrato no magnético para proporcionar un SOC fuerte para generar una gran DMI (como se muestra en la parte superior izquierda de la Figura 2), la elección del material del sustrato se hace a partir de 5d y otros materiales de metales pesados, y la presencia de metales pesados generalmente afecta la eficiencia de lectura y escritura de los dispositivos de memoria, y es un túnel magnético comúnmente utilizado en la industria . La estructura de la memoria de unión es incompatible, lo que complica el proceso de fabricación. Por lo tanto, cómo romper la limitación de los metales pesados, es decir, romper el mecanismo Fert-Levy para lograr un DMI mayor, se convierte en uno de los problemas de campo.

Figura 2 DMI causada por DMI tipo Fert-Levy y efecto Rashba

Para resolver este problema, Hongxin Yang y sus colaboradores han realizado una investigación en profundidad sobre la interfaz entre el metal ferromagnético y el grafeno. La estructura se muestra en la Figura 1. Se encuentra que la interfaz entre el Co de una sola capa y el grafeno puede inducir DMI hasta 1,14 meV. La interfaz entre las tres capas de Co y grafeno puede inducir DMI con una fuerza de 0,49 meV, y su fuerza se puede comparar con la de alguna interfaz DMI de metal ferromagnético / metal pesado. Lo que es más interesante es que el mecanismo físico del sistema es completamente diferente al de Fert-Levy. Tipo DMI, como se puede ver en la Figura 2, en la estructura Co / Pt, DMI es el más grande en la capa de interfaz ferromagnética capa Co, y su fuente de energía, es decir, la energía SOC no es de la capa Co, sino de la interfaz de la capa de Pt de metal precioso; En el grafeno / Co, tanto la energía DMI como la SOC se encuentran en la capa de Co. El origen físico de la diferencia se debe a que el DMI en la interfaz de grafeno / Co es el DMI inducido por el efecto Rashba (como se muestra en la Figura 2), y la interfaz Co / Pt es Fert. -Tipo de tasa. Para verificar la DMI inducida por el efecto Rashba, Hongxin Yang y sus colaboradores calcularon además la variación de la banda de energía en diferentes direcciones magnéticas mediante primeros principios y calcularon el coeficiente Rashba. El tamaño de DMI se calculó a partir del coeficiente de Rashba en 0,18 meV y se utilizó el primer principio. Los 0,49 meV calculados están en el mismo orden (Fig. 3) [HYetal. NatureMaterials (2018) doi: 10.1038 / s 41563-018-0079-4].

La Figura 3 calcula el DMI causado por el efecto Rashba de la interfaz Graphene / Co

En sincronía con los cálculos teóricos, el Dr. Chen Gong (co-primer autor de este trabajo) y el profesor Andreas Schmid del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley midieron de forma independiente el DMI en la interfaz Co / Grafeno de forma experimental. Como se muestra en la Figura 4, el DMI es -0.05 meV en la interfaz Ru / Co y 0.11meV en la interfaz dual Ru / Co / grafeno. El DMI de la interfaz Co / grafeno se puede calcular en 0,16 meV y se utiliza el primer principio. Concuerda bien con el DMI calculado por el efecto Rashba.

Fig.4 Experimentos para estudiar los cambios en el dominio magnético de Ru / Co / grafeno y Ru / Co mediante SPLEEM, interfaz DMI y luego obtener la interfaz Co / grafeno DMI

Finalmente, considerando que la quiralidad DMI en la interfaz grafeno / Co es en sentido antihorario, en la estructura grafeno / Ni, cuando el grosor del Ni es menor que 2 capas atómicas, el DMI es en el sentido de las agujas del reloj, por lo que el grefeno / Ni se puede invertir apilando la estructura. a Ni / grafeno para revertir su quiralidad DMI, logrando así la mejora de DMI en la estructura multicapa de grafeno / Co / Ni / grafeno. Más interesante aún, la anisotropía magnética perpendicular también es diferente en esta estructura. A medida que aumenta el número de uniones, el apilamiento multicapa regula simultáneamente la anisotropía magnética perpendicular y la DMI, proporcionando así más opciones para la regulación de estructuras magnéticas topológicas (como se muestra en la Figura 5).

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Figura 5 Interfaz de Co (Ni) / grafeno DMI con cambio de espesor de capa ferromagnética (izquierda), película multicapa de grafeno / Co / Ni / grafeno con cambio de DMI y PMA con heterounión (derecha)

En resumen, la interfaz entre el grafeno y el metal ferromagnético puede lograr una gran DMI, que es diferente del modelo Fert-Levy. El mecanismo físico es inducido por el efecto Rashba, que rompe la dependencia de la interfaz DMI de los metales pesados. Además, considerando que la interfaz Co / grafeno también tiene una gran anisotropía magnética perpendicular [HYetal.Nanoletters 16, 145 (2015)], y ambos pueden ajustarse fácilmente en la interfaz Co / grafeno, es previsible que la serie funcione. . Proporciona más posibilidades para la investigación científica y la aplicación de la espintrónica y la espintrónica en la espintrónica del grafeno y las estructuras magnéticas topológicas.

La teoría del trabajo fue parcialmente completada por Yang Hongxin y la Universidad de Grenoble en Francia, el Centro Nacional de Investigaciones Científicas y el Instituto Francés de Energía Atómica, el Profesor del Laboratorio SPINTEC Mairbek Chshiev, el Centro Nacional de Investigación Científica de Francia y el Profesor del Laboratorio Conjunto de Física Thales. Albert Fert. Chen Gong y Andreas Schmid y otra cooperación completada. El trabajo fue apoyado por el Programa de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (Graphene Flagship) y el proyecto francés ANRULTRASKY, SOSPIN, Genci-Cines, la Oficina de Ciencia de EE. UU., Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, DOE, Oficina del Presidente de Investigación Multicampus. Programas e Iniciativa, y el Proyecto Youth 1000 de la Organización Central y el proyecto Ningbo 3315.

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