六角MnNiGa中的斯格明子的调控方法

技术领域

本发明涉及斯格明子的调控方法，具体涉及一种六角MnNiGa中的斯格明子的调控方法。

背景技术

磁性斯格明子(Skyrmion)是一种具有拓扑行为的磁结构。其具有粒子特性，且尺寸为纳米量级(10-100纳米)。磁性斯格明子的自旋排列使得驱动斯格明子状态改变的电流密度比驱动传统磁畴低5-6个量级，因此有望应用于高密度、高速度、低能耗磁信息存储器件中。

目前利用洛伦兹透射电镜在非中心对称结构材料体系中直接观察到了斯格明子的形成。虽然这些材料中可形成高密度的斯格明子点阵，但是需要持续的磁场来使其稳定存在，而且这些材料的居里温度低于室温，且斯格明子成相温区较窄(仅在居里温度附近几K的范围内稳定存在)。

在中心对称La_1.4Sr_1.6Mn₂O₇材料体系中，观察到的一种拓扑数为2的斯格明子点阵，但是仍需要在70K的低温下稳定存在且温区较窄。

我们发现在MnNiGa材料体系中能形成拓扑数为2的斯格明子，虽然其在100K-340K较宽温区都存在，但在远离居里温度(例如在室温时)密度很低，无法实现高密度存储。而且当磁场撤销时，所形成的斯格明子会消失，不具有零场稳定性。

因此，目前需要一种调控方法使得形成的斯格明子能用于非易失性的高密度磁存储器件中。

发明内容

针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种六角MnNiGa中的斯格明子的调控方法，包括如下步骤：

1)对六角MnNiGa施加磁场，其中所述磁场不足以使得所述六角MnNiGa中的条状磁畴转变为斯格明子，所述磁场的方向不平行所述六角MnNiGa的{001}晶面族；

2)对所述六角MnNiGa施加电流或/和加热使其条状磁畴消失。

优选的，还包括步骤3)：将所述电流降低为零或/和将所述六角MnNiGa的温度降低为室温。

优选的，还包括步骤4)：将所述磁场撤销。

优选的，所述磁场垂直于所述六角MnNiGa的{001}晶面族。

优选的，所述磁场的磁感应强度为5mT-110mT。更优选的，所述磁场的磁感应强度为30mT-80mT。

优选的，在所述步骤2)中，所述电流的面内电流密度至少为8.4×10⁷A/m²。

优选的，在所述步骤2)中，所述六角MnNiGa的温度为室温。

优选的，在所述步骤2)中，将所述六角MnNiGa加热至350K-380K。

本发明的调控方法能有效调控六角MnNiGa材料体系中的斯格明子密度，并形成了高密度的斯格明子阵列，且高密度的斯格明子在零场和宽温域室温下都能稳定存在。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明的第1个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图2是根据本发明的第2个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图3是根据本发明的第3个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图4是根据本发明的第4个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图5是根据本发明的第5个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图6是根据本发明的第6个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图7是根据本发明的第7个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图8是根据本发明的第8个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图9-11是根据本发明的第9个实施例形成的斯格明子分别在330K、298K和100K下的磁畴结构图。

图12是图10中的斯格明子在磁场撤销时的磁畴结构图。

图13是根据本发明的第10个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

图14是根据本发明的第11个实施例形成的斯格明子的磁畴结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。

当(Mn_100-δNi_δ)_αGa_β材料体系中的原子百分比α、β和δ满足：60≤α≤70，30≤β≤40，0<δ≤50，α+β＝100时，所制备的MnNiGa为六角晶系结构，其空间群为P6₃/mmc。申请人研究发现六角MnNiGa在居里温度以上并不是急速转变为无序的顺磁相，而是存在一个由长周期的铁磁畴向短程有序的铁磁团簇逐渐过渡的过程，再进一步升温才会进入长程无序的顺磁态。其自旋磁共振图谱表明铁磁团簇在350K-380K范围内随温度升高逐渐变小，在这个温度区间控制外加磁场的大小就能控制斯格明子相的形成及分布。在{001}晶面族方向的外加磁场提供的各向异性场与一定尺寸的铁磁团簇本身的磁相互作用，有助于该晶面上形成斯格明子相。进一步研究发现，只有在最佳磁场条件下才能得到最高密度的斯格明子相，小于或大于该最佳磁场，都会有stripe相与斯格明子相的共存，从而使得斯格明子密度降低。因此通过外磁场作用调控微观磁化状态，从而达到优化斯格明子相的形核。而面内电流作用下的调控也是微观磁化状态，电场和磁场同时作用在该材料体系，产生感生磁电相互作用以及自旋转移力矩效应等使得微区磁化状态发生改变，最终影响和控制磁畴微区的斯格明子的形核。

基于上述机理，申请人提出了一种斯格明子调控方法。

实施例1

1)制备(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品：将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品块切割成3毫米×2毫米的长方形片状。为了便于在透射电镜下直接观察纳米尺寸的斯格明子，通过砂纸、凹坑仪和抛光仪等对样品观察区域进行打磨，再用离子减薄仪进行减薄，使得样品观察区域的厚度小于100纳米。将观察区域减薄后的样品安装在电场杆上并插入透射电镜中。其中可通过keithley电流表给样品施加电流，并利用透射电镜的物镜电流产生所需的磁场，通过透射电镜对样品的(001)晶面进行以下调控。

2)垂直(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品的(001)晶面施加5mT的磁场，其中该磁场不足以使其条状磁畴转变为斯格明子。

3)对(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品施加面内电流密度为8.4×10⁷A/m²的电流，使其条状磁畴消失。

4)将电流降低为零。

图1是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将外加磁场撤销(即从5mT降低为零)之后，发现部分斯格明子能够稳定保存，具有非易失性零场稳定性。另外将上述步骤4)处理后的(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温(即100K-330K)的斯格明子。

实施例2

其与实施例1基本相同，区别在于，在步骤2)中施加10mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图2是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将外加磁场撤销之后，发现已形成的斯格明子仍然能够稳定保存，具有非易失性零场稳定性。将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。

实施例3

其与实施例1基本相同，区别在于，在步骤2)中施加30mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图3是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将外加磁场撤销之后，发现已形成的斯格明子仍然能够稳定保存，具有非易失性零场稳定性。将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。

实施例4

其与实施例1基本相同，区别在于，在步骤2)中施加50mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图4是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图，从图4可以看出，斯格明子的尺寸约为90纳米，密度高且以阵列形式排列。将外加磁场撤销之后，发现斯格明子仍然能够稳定保存，具有非易失性零场稳定性。将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现高密度的斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。

实施例5

其与实施例1基本相同，区别在于，在步骤2)中施加80mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图5是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将外加磁场撤销之后，发现斯格明子仍然能够稳定保存，具有非易失性零场稳定性。将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。

实施例6

其与实施例1基本相同，区别在于，在步骤2)中施加90mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图6是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将外加磁场撤销之后，发现斯格明子保持稳定，具有非易失性零场稳定性。将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。

实施例7

1)制备(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品：将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品块切割以形成3毫米×2毫米的长方形片状。为了便于在透射电镜下直接观察纳米尺寸的斯格明子，通过砂纸、凹坑仪和抛光仪等对样品观察区域进行打磨，再用离子减薄仪进行减薄，使得样品观察区域的厚度小于100纳米。将减薄后的样品装入低温样品杆上，并将样品杆插入透射电镜中。其中通过低温样品杆上的杜瓦添加液氮可以对样品进行降温或通过样品杆前端的加热丝对样品进行加热，并通过透射电镜的物镜电流施加垂直磁场，通过透射电镜对样品的(001)晶面进行以下调控。

2)垂直(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品的(001)晶面施加10mT的磁场，其中该磁场不足以使其条状磁畴转变为斯格明子。

3)将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品加热至360K，使其条状磁畴消失。

4)将样品的温度降低为室温298K。

图7是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将上述步骤4)处理后的(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。将10mT的外加磁场撤销后，发现室温下的斯格明子在零场仍然稳定存在。

实施例8

其与实施例7基本相同，区别在于，在步骤2)中施加30mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图8是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。再将30mT的外加磁场撤销后，发现室温下的斯格明子在零场仍然稳定存在。

实施例9

其与实施例7基本相同，区别在于，在步骤2)中施加50mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图9-11分别示出了(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的斯格明子在温度330K、298K和100K下的磁畴结构图，从图中可以看出本发明的调控方法形成的高密度的斯格明子在宽温域室温(即100K-330K)范围内稳定存在。图12示出了图10中的室温下的斯格明子在磁场撤销时的磁畴结构图，从图12可以看出，将50mT的外加磁场撤销后，室温下的斯格明子在零场下仍然稳定存在。

实施例10

其与实施例7基本相同，区别在于，在步骤2)中施加90mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图13是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。再将90mT的外加磁场撤销后，同样发现室温下的斯格明子在零场下仍然稳定存在。

实施例11

其与实施例7基本相同，区别在于，在步骤2)中施加110mT的磁场(该磁场同样不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的条状磁畴转变为斯格明子)。图14是根据上述调控方法得到的斯格明子的磁畴结构图。将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的温度从室温升高至330K或降低至100K后，发现斯格明子仍然能够稳定存在，因此本发明的调控方法形成了宽温域室温的斯格明子。再将110mT的外加磁场撤销后，同样发现室温下的高密度的斯格明子在零场下仍然稳定存在。

在上述实施例1-6的步骤3)中，施加的面内电流密度至少为8.4×10⁷A/m²即可，以确保六角MnNiGa的条状磁畴消失。

在上述实施例7-11的步骤3)中，还可以将(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅样品加热至350K-380K使其条状磁畴消失。

在本发明的其他实施例中，磁场的方向可以与六角MnNiGa的{001}晶面族所在的平面形成任意角度的夹角，优选在90°左右。

在本发明的其它实施例中，还可以采用其它已知方式对六角MnNiGa材料施加所需磁场、加热或施加电流，并不限于采用透射电镜中的物镜电流施加磁场、加热丝加热或keithley电流表施加电流。

在本发明的其他实施例的步骤3)中，还可以同时对六角MnNiGa施加电流和对其加热，以使其条状磁畴消失。

采用本发明的调控方法对六角MnNiGa进行调控，使得在六角MnNiGa的(001)晶面上形成的高密度斯格明子阵列能在零场、宽温区内稳定存在。因此有利于以高效节能的方式将其应用于非易失性高密度磁存储器件中。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。