МСМ метод для анализа Mn1.4PtSn: Исследование магнитных носителей для антискирмионов

ЯНВ242022

Скирмионы и антискирмионы – это квазичастицы, основанные на топологическом расположении спинов. Из-за небольшого размера и высокой стабильности они изучаются для применения в области спинтроники, включая хранение и передачу данных с высокой плотностью, а также нейроморфные вычисления [1, 2].

Данная статья, основанная на публикациях Суханова и др.: «Анизотропная фрактальная картина магнитных доменов в объеме Mn1.4PtSn» и Zuniga Cespedes и др.: «Критическое соотношение сторон образца и зависимость от магнитного поля для образования антискирмиона в монокристаллах Mn1.4PtSn», фокусируется на геометрическом влиянии на образование антискирмиона в тетрагональном соединении Гейслера Mn1.4PtSn [3, 4]. С помощью магнитно-силовой микроскопии (МСМ) исследователи смогли увидеть зависимое от толщины образование либо фрактальной структуры ферромагнитных доменов, либо структуры спиновой спирали в качестве шаблона для зарождения антискирмионов.

Введение

Согласно последним оценкам, в постоянно растущем цифровом мире мы уже производим 2.5×10¹⁸ байт данных за один день [5]. Этот ошеломляющий объем данных требует новых технологий хранения данных, чтобы остановить волну расширения информации. Здесь скирмионы и антискирмионы могут предоставить новые решения для меньшего и более быстрого хранения данных с повышенной энергоэффективностью [6]. Они представляют собой топологические спиновые структуры, организованные в виде небольших вихрей, которые действуют как квазичастицы в магнитной текстуре определенных материалов-хозяев [7]. Их размер может варьироваться от 100 мкм до 1 нм [8]. Из-за их размера, стабильности и реакции на внешние электрические или магнитные поля применение скирмионов и антискирмионов в спинтронике изучается для хранения и передачи данных с высокой плотностью, а также для нейроморфных вычислений [1, 2].

Антискирмионы наблюдались в тетрагональных соединениях Гейслера, включая Mn1.4PtSn. Для локального разрешения магнитных картин на этих соединениях и исследования их зависимости от геометрии образца требуется метод микроскопии с наноразмерным пространственным разрешением и высокой магнитной чувствительностью. Здесь магнитная силовая микроскопия (МСМ), доступная для всех исследовательских атомно-силовых микроскопов серии NX компании Park Systems, позволяет одновременно получать изображения топографии поверхности и магнитной структуры в реальном пространстве.

В МСМ используются намагниченные кантилеверы, которые позволяют получать изображения из-за их чувствительности к ван-дер-ваальсовым взаимодействиям и взаимодействиям магнитного зонда с образцом. И Ван-дер-Ваальсова, и магнитная силы измеряются по изменениям колебаний кантилевера либо из-за изменений амплитуды, либо из-за резонансной частоты [9]. Чтобы выделить их вклад в колебания кантилевера, МСМ использует различную зависимость Ван-дер-Ваальса и магнитной силы от расстояния. В непосредственной близости силы взаимодействия Ван-дер-Ваальса преобладают над силой зонд-образец, что позволяет отображать топографию. На больших расстояниях 50-500 нм короткодействующие ван-дер-ваальсовые взаимодействия становятся минимальными, а магнитные силы регулируют взаимодействие зонда с образцом. Соответственно, МСМ сканирует каждую линию дважды: первый проход для отображения топографии образца, а второй проход для отображения магнитной текстуры образца (см. рис. 1). Чтобы сохранить постоянное расстояние между зондом и образцом во время второго прохода, кантилевер следует ранее записанному топографическому профилю. Результирующий фазовый сдвиг колебаний предоставляет информацию о локальной магнитной поляризации магнитного момента и, таким образом, разрешает структуры ферромагнитных доменов или антискирмионные решетки, присутствующие в образце.

Рис. 1. Двухпроходный режим МСМ с определением топографии образца на первом проходе и обнаружением магнитной структуры на втором проходе [9].

Эксперимент

Магнитные свойства монокристалла и тонких ламелей Mn_1.4PtSn исследовались с помощью АСМ модели NX10 компании Park Systems в обычных условиях окружающей среды. Образец был установлен на немагнитном держателе образца, чтобы избежать магнитных перекрестных помех. Для МСМ кантилевер с магнитным покрытием (PPP-MFMR, Nanosensors) намагничивали перед измерением и использовали во всех экспериментах. МСМ измерения проводились в режиме двухпроходного сканирования (см. рис. 1). При первом проходе топография была отображена в бесконтактном режиме True Non-Contact. Затем кантилевер поднимали на 100 – 150 нм над образцом и определяли магнитное распределение по колебаниям кантилевера при его следовании топографическому профилю.

Исследовались монокристаллы Mn_1.4PtSn, выращенные флюсовым методом [10]. Выращенные соответствующим образом кристаллы были отполированы вдоль плоскости ‘ab’ сфокусированным пучком ионов ксенона для создания гладких поверхностей и изображены на рис. 2 [4]. Различная толщина в диапазоне от 400 нм до 10 мкм была создана путем вырезания канавки размером 100 × 100 мкм² на стороне соответствующего кристалла (рис. 3а) [3].

Результаты

Предыдущие исследования Mn_1.4PtSn показали существование антискирмионов в тонких слоях материала [10, 11]. Однако МСМ измерения при комнатной температуре на полированной ‘ab’ плоскости объемного монокристалла Mn1.4PtSn выявили формирование фрактальной ферромагнитной доменной структуры с пластинчатым полосатым узором шириной до 3 мкм вместо антискирмионных решеток (рис. 2б). Дальнейшее увеличение (см. рис. 2c и d) показывает дополнительные меньшие вложенные домены с формой наконечника стрелы и противоположной ориентацией вокруг стенок домена, таким образом, вводя хиральность. Эта хиральность вокруг доменных стенок свидетельствует о наличии взаимодействий Дзялошинского-Мория (DMI) – анизотропного магнитного обменного взаимодействия, фундаментального для образования скирмионов и антискирмионов. Таким образом, исследования Суханова и др. показали, что объемные монокристаллы Mn_1.4PtSn способствуют формированию структуры ферромагнитных доменов поверх антискирмионных решеток [4].

Последующее исследование Zuniga Cespedes и др. использовали МСМ для разрешения зависящего от толщины перехода от фрактальной ферромагнитной доменной структуры в объеме Mn_1.4PtSn к простой схеме с одиночными рядами вложенных доменов, когда толщина уменьшилась до 4.4 мкм (рис. 3b-e). Ниже пороговой толщины 4.4 мкм вложенные домены исчезли, образуя однородные синусоидальные полосы, которые возникают в результате зарождения спиновых спиралей вместо полосковых ферромагнитных доменов из-за DMI (рис. 3b-e). Этот магнитный узор на основе спиновых спиралей может служить прототипом образования антискирмионов под действием внешних магнитных полей [3].

Рис. 2. а) Топография образца; б)-г) Фрактальная картина ферромагнитных доменов в МСМ фазе объемных кристаллов Mn_1.4PtSn [4]. Изображение воспроизведено с разрешения: Phys. B 102, 174447 — опубликовано 30 ноября 2020 г.

Рис. 3. а) Монокристалл Mn_1.4PtSn с прорезанной в плоскости ‘ab’ канавкой для создания подвешенной тонкой пластины заданной толщины; b-e) Магнитные узоры при различной толщине пластин с появлением синусоидальной картины спиновых спиралей [3]. Изображение воспроизведено с разрешения: Phys. B 103, 184411 — опубликовано 12 мая 2021 г.

Заключение

МСМ измерения при комнатной температуре на АСМ модели NX10 компании Park Systems показали, что вместо антискирмионов объемный Mn_1.4PtSn имеет анизотропные фрактальные ферромагнитные домены, что указывает на присутствие DMI как предпосылки образования антискирмионов [4]. Путем уменьшения толщины слоя Mn_1.4PtSn до размера менее 4.4 мкм появляется синусоидальный полосковый узор, возникающий в результате зарождения спиновых спиралей, вызванного DMI. В приложенных магнитных полях эта картина может действовать как шаблон для зарождения антискирмионов [3].

Подробные характеристики
Сканирующего атомно-силового микроскопа Park NX10

Ссылки

1. Zhang, X. et al. Skyrmion-electronics: writing, deleting, reading and processing magnetic skyrmions toward spintronic applications. J. Phys. Condens. Matter 32, 143001 (2020).
2. Büttner, F., Lemesh, I. & Beach, G. S. D. Theory of isolated magnetic skyrmions: From fundamentals to room temperature applications. Sci. Rep. 8, 4464 (2018).
3. Zuniga Cespedes, B. E., Vir, P., Milde, P., Felser, C. & Eng, L. M. Critical sample aspect ratio and magnetic field dependence for antiskyrmion formation in Mn1.4PtSn single crystals. Phys. Rev. B 103, 1–7 (2021).
4. Sukhanov, A. S. et al. Anisotropic fractal magnetic domain pattern in bulk Mn1.4PtSn. Phys. Rev. B 102, 1–9 (2020).
5. Price, D. How much Data is produced every day? https://cloudtweaks.com/2015/03/how-much-data-is-produced-everyday/
6. Karube, K. et al. Room-temperature antiskyrmions and sawtooth surface textures in a non-centrosymmetric magnet with S4 symmetry. Nat. Mater. 20, 335 (2021).
7. Koshibae, W. & Nagaosa, N. Theory of antiskyrmions in magnets. Nat. Commun. 7, (2016).
8. Nagaosa, N. & Tokura, Y. Topological properties and dynamics of. Nat. Publ. Gr. 8, 899–911 (2013).
9. Pineda, J. P., Newcomb, C., Pascual, G., Kim, B. & Lee, K. Detection of Magnetization Reversal in Magnetic Patterned Array using Magnetic Force Microscopy. Park Syst. Appl. Note 17 (2017).
10. Vir, P. et al. Tetragonal superstructure of the antiskyrmion hosting Heusler compound Mn1.4PtSn. Chem. Mater. 31, 5876–5880 (2019).
11. Saha, R. et al. Intrinsic stability of magnetic anti-skyrmions in the tetragonal inverse Heusler compound Mn 1.4 Pt 0.9 Pd 0.1 Sn. Nat. Commun. 10, 1–7 (2019).