仪器新应用！Kerr显微镜揭示二维铁磁体FGT中的CIDWM现象

【科学背景】

随着自旋电子学的发展，将电流转化为自旋电流的能力成为自旋电子学中至关重要的一环。自旋电流能够携带自旋和可能的轨道角动量，从而产生扭矩，用于操控局部磁化。这些扭矩的来源包括自旋转移和自旋轨道相互作用，它们构成了实现新型自旋电子学器件的基本构建模块。其中，基于磁性纳米线的竞赛轨道存储器设备，利用自旋转移扭矩和/或自旋轨道扭矩驱动的电流诱导的畴壁运动，被认为是下一代高速、高密度、低能耗的非易失性记忆器件的主要候选者。

特别地，Fe3GeTe2（FGT）因其金属性质、可调谐的居里温度和强的垂直磁各向异性而备受关注。最近，FGT中观察到了各种手性磁性纳米结构，这些纳米结构需要DMI的来源。虽然曾有界面DMI的假设，但考虑到FGT薄片的相当厚度，这种假设似乎不太合理。相反，研究者认为这些手性自旋纹理的起源可能是体积型的。最近的研究表明，FGT晶体具有破缺反演对称性的晶体结构，这为体积型DMI提供了有力证据。

然而，对于FGT的电流诱导磁化操控的研究还处于初步阶段，现有的研究主要采用了间接探测方法。直接成像受限于厚度较大的FGT样品，并且观察到的高速电控畴壁运动速度较慢。因此，研究人员需要一种更具挑战性的方法来解决这一问题。

有鉴于此，马丁路德大学物理学研究所Stuart S. P. Parkin教授、安徽大学材料科学与工程学院Tianping Ma等人在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Cur3t-induced domain wall motion in a van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2”的研究论文，引起了不小的关注！本研究旨在利用磁光克尔显微镜（MOKE）技术探索FGT异质结中的高速电控畴壁运动CIDWM，并观察其在不同条件下的行为。通过将FGT与重金属铂（Pt）或钨（W）层结合，作者研究了畴壁运动的机制，并发现畴壁驱动的竞争行为。此外，作者还发现，作者的方法可以获得比以前报告的速度更高一个数量级的畴壁速度。

【科学亮点】

（1）实验首次探究了Fe3GeTe2（FGT）中的高速电控畴壁运动（CIDWM），并取得了重要发现。

• 通过使用Kerr显微镜，作者观察到了在FGT薄片中实现的CIDWM现象，这是首次在该材料中进行的。

• 在Pt或W层覆盖的FGT异质结中，作者证明了畴壁可以通过自旋转移和自旋轨道扭矩的组合进行移动。

（2）实验结果表明CIDWM的速度比以前的研究中报告的速度高一个数量级，并揭示了畴壁运动的新机制。

• 作者发现在异质结中，畴壁的驱动方式既可以是由STT单独引起，也可以是由STT和SOT的竞争机制共同作用引起。

• STT和SOT之间的竞争导致畴壁运动方向的变化，随着注入电流密度的增加而发生改变。

【科学图文】

图1：由自旋转移力驱动的FGT中的CIDWM。

图2. FGT/Pt和FGT/W异质结中的电流诱导磁化翻转。

图3：在T = 70K下，FGT（8.1 nm）/Pt（3 nm）异质结中的电流诱导DW运动。

图4：FGT/W异质结和原始FGT中DW速度随纵向磁场的变化。

【科学结论】

作者通过磁光学克尔显微镜成像研究了二维铁磁体FGT中的CIDWM现象。基于STT的CIDWM得到了清晰展示。作者观察到了在20K时畴壁的最高速度为5.68 m/s。畴壁运动的纵向磁场依赖性揭示了原始FGT中由DMI诱导的尼尔型畴壁。在FGT表面沉积了Pt和W薄膜，形成了重金属/铁磁体异质结。Pt和W中的自旋霍尔角的相反符号导致了SOT诱导的磁化翻转方向相反，以及CIDWM的不同行为。

在FGT/Pt中，STT和SOT之间的竞争导致了较低的畴壁速度和随着电流密度增加而畴壁运动方向的改变，而在FGT/W中，STT和SOT互相促进，并导致与原始情况一样有效的畴壁运动。这样的DMI源于FGT薄片中铁原子空位的无序和铁原子的插层。作者的工作为基于二维磁体的功能自旋电子学器件的发展提供了启示。

原文详情：Zhang, W., Ma, T., Hazra, B.K. et al. Cur3t-induced domain wall motion in a van der Waals ferromagnet Fe3GeTe2. Nat Commun 15, 4851 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48893-y