Seminar/Article Journal club
자구벽 스커미온의 실험적 관찰
Experimental Observation of Magnetic Domain Wall Skyrmions
자구벽 스커미온의 실험적 관찰
Experimental Observation of Magnetic Domain Wall Skyrmions
이 논문은 다음과 같은 세 문장으로 요약할 수 있다. (3줄요약)
- Magnetic DW Skyrmion을 LTEM으로 측정하였다.
- field-driven DW motion을 통해 DW skyrmion이 pinning site임을 확인하였다.
- GNEB를 이용하여 DW skyrmion의 energy barrier를 계산하였다.
DW skyrmion(자구벽 스커미온)은 우리가 늘 2D에서 얘기하는 skyrmion의 1D structure로, 자구벽 내에 자화가 180도 한 바퀴 돌면서 꼬여 있는 구조를 의미한다. (이론적 예측 : Phys. Rev. B 99, 184412 (2019)) 자구벽 내에 자화가 꼬여 있는 구조의 또 다른 대표적인 예시로는 Bloch line이 있는데, Bloch line은 DMI가 없을 때도 안정화되며 topological charge Q=±1/2인 반면에 DW skyrmion은 DMI가 있을 때 안정화되며 Neel wall 내부에 존재하고, Q=±1인 특성을 가지고 있다.
LTEM(Lorentz Transmission Electron Microscopy)은 In-plane 방향의 자화 이미징에 특화되어 있는 측정법으로, 기존의 TEM과 측정 셋업이 동일하고 대물 렌즈에 흐르는 전류를 조절하여 LTEM으로 사용할 수 있게 된다. 이 논문에서는 LTEM을 이용해 DW skyrmion을 이미징하였는데, 수직 방향의 자화가 형성되어 있는 PMA 시편에서 DW은 In-plane 방향이므로 DW skyrmion도 In-plane 방향으로 형성되어 있기 때문이다.
논문에서 사용한 물질은 (Pt[Co/Ni]M/Ir)N의 multilayer 구조로, 레이어 반복 횟수인 M, N을 split하여 DMI와 두께에 따른 자구 구조의 변화를 LTEM으로 측정하였다. 적절한 DMI와 두께 조건에서 DW skyrmion을 관찰할 수 있었고, 시뮬레이션을 통해 확인한 DW skyrmion의 구조와 일치하는 것을 보였으며 외부 자기장에 따른 자구벽 이동을 관찰하며 DW skyrmion이 pinning site가 되는 것을 확인하였다. 또한 GNEB(Geodesic Nudged Elastic Band)라는 계산법을 통해 DW skyrmion의 energy barrier를 계산하여 topological stability를 설명하며 논문을 마무리한다.
Direct하게 DW skyrmion이라는 magnetic topological state를 관찰하고, 외부 자기장에 따른 이동과 energy barrier 계산까지 시행한 아주 흥미로운 논문이라고 생각한다. MFM과 비교했을 때 LTEM은 훨씬 더 straightforward한 이미징이 가능하고 In-plane 자화 측정에 탁월한 측정법인데, 우리가 주로 사용하는 수직 자화 시편에서 In-plane 방향의 DW이나 Bloch line, skyrmion, vortex 등의 topological state들을 측정하는 데에 응용이 가능할 것으로 보인다.
작성 양지석
E-mail : seoks@kaist.ac.kr
DOI:
https://arxiv.org/abs/2004.07888