研究背景

近年來，磁性斯格明子受到了廣泛的關注。這些拓撲保護的非共線磁性自旋結構納米粒子穩定在反轉對稱破壞的磁性化合物中，是手性卓洛辛斯基-莫里亞相互作用(DMI)以及鐵磁交換相互作用的結果。最為廣泛研究的自旋結構首先是在單晶和外延薄膜中非中心對稱B20化合物中觀察到的類布洛赫斯格明子，其次是在超薄鐵磁層和重金屬層形成的薄膜異質結構中的斯格明子。對非共線自旋結構的觀察很多都是利用從晶體中提取的薄片進行的。磁性納米粒子，即反斯格明子和布洛赫斯格明子，已被發現同時存在于由具有二維對稱的反四方赫斯勒化合物形成的單晶片層中。然而，制作四方赫斯勒化合物的薄膜以及在其中的自旋結構測量仍然具有挑戰性。

圖1. 100K溫度MFM成像研究35 nm厚Mn2RhSn薄膜中納米級磁性結構的演化

研究內容

通過各種直接成像技術可以在真實空間中觀察到斯格明子。近期，德國科學家Parkin等人使用低溫強磁場磁力顯微鏡(MFM)成像來研究[001]取向的Mn2RhSn薄膜中的磁性結構。圖1展示了在100K下隨磁場增加而變化的典型MFM結果。為了進一步研究Mn2RhSn薄膜中觀察到的納米物體的穩定性，在矢量磁場存在下對35 nm厚的薄膜進行了MFM測量（圖2）。

圖2 ：200K溫度下，35 nm厚Mn2RhSn薄膜中納米粒子在矢量磁場中的穩定性

科學家在很大的溫度范圍內(從2k到280K)和磁場的作用下觀察磁性納米物體，從研究結果可知，形成不同的橢圓和圓形的大小孤立粒子取決于場和溫度（圖3）。此外，借助于由MFM尖 端產生的局部磁場梯度，科學家還演示了這些納米粒子的產生和湮滅（圖4）。

圖3. 35 nm厚Mn2RhSn薄膜中, MFM研究不同溫度下的納米粒子， 圖a-f分別是5K， 50K, 100K, 150K, 200K, 250K溫度下MFM成像數據

圖4. 基于MFM顯微探針技術控制35 nm厚Mn2RhSn薄膜中納米粒子的產生和湮滅

綜上所述，由磁控濺射形成的Mn2RhSn外延薄膜中存在磁性納米粒子。類似于單晶薄片，這些納米粒子在廣泛的尺寸范圍內以及在磁場和溫度下都具有穩定性。然而，納米粒子并沒有形成明確定向的陣列，也沒有任何證據發現螺旋自旋結構，這可能是薄膜中化學順序均勻性較差導致的結果。然而，在外延薄膜中發現了沿垂直晶體方向的橢圓扭曲納米粒子，這與在單晶片中觀察到的橢圓布洛赫斯格明子一致。因此，這些測量結果為Mn2RhSn薄膜中非共線自旋結構的形成提供了強有力的證據。實驗結果表明，在這些薄膜中，可以利用磁性尖 端的局部磁場來刪除單個納米物體，也可以寫出納米粒子的集合。

低溫強磁場原子力/磁力顯微鏡attoAFM/MFM I主要技術特點：

• 溫度范圍：1.8K ..300 K

• 磁場范圍：0...9T (取決于磁體, 可選12T，9T-3T矢量磁體等)

• 工作模式：AFM（接觸式與非接觸式）, MFM

• 樣品定位范圍：5×5×4.8 mm3

• 掃描范圍: 50×50 μm2@300 K, 30×30 μm2@4 K   

• 商業化探針

• 可升級PFM, ct-AFM, CFM，cryoRAMAN, atto3DR等功能

圖5. 低溫強磁場原子力磁力顯微鏡以及attoDRY2100低溫恒溫器