近日，东南大学物理学院翟亚教授课题组与巴黎萨克雷大学纳科学技术中心Nicolas Vernier教授等合作报道了在几乎没有Dzyaloshinskii-Moriya (DMI)相互作用的CoFeB非晶铁磁薄膜中发现的特殊形态的磁畴以及各向异性磁畴壁运动。相关成果以“Highly Anisotropic Magnetic Domain Wall Behavior in In-Plane Magnetic Films”为题发表在物理学领域重要刊物Physical Review Letters上。
众所周知磁畴壁是相邻磁畴之间的过渡区域，磁化及其翻转过程可通过磁畴壁的运动来完成，而磁畴壁的运动可以由磁场或电流来推动（调控）。随着自旋电子学的发展，基于磁畴壁的逻辑存储器具有高密度、高速度和非易失性的优势，近20年来，一直是经久不衰的前沿研究课题。最著名的如 IBM 公司提出的赛道内存（Racetrack Memory）概念：赛道内存是一种由许多一维磁性纳米线组成的新型存储器件, 数据的存储通过自旋极化电流推动纳米线中磁畴壁的方式来实现。而近年来，垂直磁各向异性的"铁磁/重金属"异质结薄膜体系中二维磁畴壁的各向异性运动被用作测量Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，因而受到国际磁学与自旋电子学领域的高度关注。
与大部分具有垂直磁各向异性的铁磁/重金属多层膜不同，该实验所采用的厚度为30nm的面内易磁化CoFeB薄膜中DMI作用几可忽略。研究人员发现，区别于面内磁各向同性薄膜中的圆形气泡（Bubble）磁畴，在同样沿易磁化轴方向施加磁场的情况下，具有面内单轴各向异性的薄膜磁化反转过程以矩形磁畴的畴壁运动为特征，并且在平行和垂直易磁化轴方向磁畴壁形状和运动规律不同。
图注：(a) 沿易磁化轴方向施加脉冲磁场后单轴各向异性CoFeB(30 nm)薄膜的典型磁光克尔图像；(b) 矩形磁畴的放大磁光克尔图像，显示出直线形磁畴壁和锯齿形磁畴壁，两者分别平行和垂直于易磁化轴，黑白箭头分别表示磁畴内外磁化方向；(c) CoFeB(30 nm)薄膜中锯齿形畴壁(黑)和直线形畴壁(红)的速度与磁场的关系，插图为直线形磁畴壁
研究者采用高真空磁控溅射的技术生长CoFeB非晶薄膜，薄膜结构为Si(100)/Ta(2 nm)/Co60Fe20B20(30 nm)/Ta(1 nm)，生长过程中施加磁场成功诱导薄膜平面良好的单轴磁各向异性，其各向异性场为3.5 mT。利用磁光克尔显微仪，在该CoFeB薄膜中首次观察到矩形磁畴。研究者发现平行于易磁化轴的磁畴壁是直线形的，而垂直于易磁化轴的畴壁为锯齿形结构，两者在脉冲磁场驱动下表现出截然不同的动力学特征：前者是钉扎体系内典型的“爬行运动（Creep Motion）”，运动速度随脉冲磁场非线性的缓慢增加；而后者则意外的展现出符合畴壁运动一维模型（1D Model）预期的线性运动特征。这些研究结果提供了一维模型理论适用于准二维铁磁薄膜的首个实验证据。
本文第一作者为东南大学物理学院博士生周笑超，其他作者包括东南大学物理学院林维维教授、巴黎萨克雷大学纳科学技术中心副教授Guillaume Agnus和高级工程师Sylvain Eimer。翟亚教授和巴黎萨克雷大学Nicolas Vernier教授共同为该工作的通讯作者，东南大学为该工作的第一完成单位。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家留学基金委基金的资助。
论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.237203