Ferroelectric control of magnetic skyrmions in multiferroic heterostructures
Ferroelectric control of magnetic skyrmions in multiferroic heterostructures
复制标题
多铁异质结构中磁性斯格明子的铁电控制
DOI：
10.1103/physrevb.102.014440
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发表时间：
2020-07
影响因子：
3.7
通讯作者：
Wang Jie
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Wang Yu;Sung Jiajun;Shimada Takahiro;Hirakata Hiroyuki;Kitamura Takayuki;Wang Jie
具有拓扑粒子性质的磁skyrmions被认为是未来自旋电子学存储和逻辑器件的潜在信息载体。在纳米结构元件中，磁skyrmion在零磁场下的稳定性是将其纳入先进的非易失性存储器件的先决条件。在这里，使用基于Ginzburg-Landau理论的实空间相场模型，我们证明了铁电极化可以在零磁场下稳定由MnSi，${\mathrm{PbTiO}}_{3}$和${\mathrm{SrTiO}}_{3}$组成的多铁性异质结构中的磁skyrmion。多铁性异质结构中磁skyrmions的稳定性主要取决于自发极化方向和不同组分的尺寸比，其中极化诱导的非均匀应变起着重要的作用。通过施加电场，在铁电组分中发生极化切换，并且在多铁性异质结构中发生极化诱导应变变化，导致铁磁组分中从skyrmion相到螺旋相的转变。此外，skyrmion和螺旋相可以共存的情况下，外部磁场和可逆地切换由一个小幅度的本地磁场。通过在零磁场下的自发极化来稳定和控制磁skyrmion可以为非易失性skyrmion存储器设备创造额外的机会。
Magnetic skyrmions with a topological particle nature are considered as potential information carriers for future spintronics memory and logic devices. The stabilization of magnetic skyrmions at zero magnetic field in nanostructured components is a prerequisite for incorporating them into advanced nonvolatile memory devices. Here, using a real-space phase field model based on Ginzburg-Landau theory, we demonstrate that ferroelectric polarization can stabilize magnetic skyrmions at zero magnetic field in multiferroic heterostructures composed of MnSi, ${\mathrm{PbTiO}}_{3}$, and ${\mathrm{SrTiO}}_{3}$. The stabilization of magnetic skyrmions in multiferroic heterostructures essentially depends on the directions of spontaneous polarizations and the size ratios of different constituents, in which polarization-induced inhomogeneous strain plays an important role. By applying an electric field, the polarization switching takes place in the ferroelectric constituent and the polarization-induced strain changes in the multiferroic heterostructures, resulting in a transition from skyrmion to helical phase in the ferromagnetic constituent. In addition, the skyrmion and helical phases can coexist in the absence of an external field and be switched reversibly by a local magnetic field with a small magnitude. Stabilization and control of magnetic skyrmions by spontaneous polarization at zero magnetic field may create additional opportunities for nonvolatile skyrmion memory devices.
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A. Gordon;I. Vagner;P. Wyder