近日，我系应用表面物理国家重点实验室吴义政教授课题组与香港中文大学周艳教授课题组合作，首次利用光学显微成像技术研究了铁磁/反铁磁异质结中，反铁磁磁畴在外磁场作用下的动力学翻转过程，发现了交换耦合力矩诱导的反铁磁磁畴快速翻转行为。相关研究成果以“Exchange-Torque-Triggered Fast Switching of Antiferromagnetic Domains”为题在线发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 128, 137201 (2022)]。

相较于铁磁材料，反铁磁材料由于其内部不存在杂散场、抗干扰能力强及多级存储等优点，在信息存储方面具有广阔的应用前景，使得基于反铁磁材料的自旋电子学成为当今的研究热点。反铁磁自旋电子学器件中的信息存储都是基于反铁磁磁畴，因而反铁磁磁畴的调控和读取成为了反铁磁自旋电子学研究的基础。然而，由于宏观上净磁矩为零，反铁磁磁畴的直接观测一直是磁学研究难点之一。常见的反铁磁磁畴的探测方法是基于同步辐射的光电子显微镜（PEEM），但基于电子成像的特点限制了在磁场和电场作用下研究反铁磁磁畴的动力学过程。最近，吴义政教授课题组首次发现了可以利用磁光双折射效应（MOB）通过磁光克尔显微镜对反铁磁磁畴进行成像的新方法，并在NiO和CoO反铁磁薄膜中进行了验证。这种光学成像技术可以兼容电场和磁场，为在外场作用下研究反铁磁磁畴的动力学行为提供了可能。

图1 ：(a) 交变磁场的示意图。(b)-(e) 反铁磁磁畴在外加交变磁场下随时间的演化。交变磁场的大小为900 Oe，周期为1s。

近期，吴义政教授课题组通过该光学方法在交换耦合的Fe/CoO(001)双层膜中，首次直接观察到了CoO中的反铁磁磁畴在外磁场作用下的动力学翻转过程。进一步研究发现在方波交变磁场中，反铁磁磁畴的翻转速度比在相同大小的恒定磁场中要快2个数量级以上。周艳教授课题组通过微磁学模拟该体系的动力学过程发现，铁磁层中磁矩在交变外磁场中的翻转会在反铁磁磁畴壁中诱导很强的交换耦合力矩，这会使得反铁磁磁畴翻转的势垒高度降低从而实现快速翻转。我们的研究为基于铁磁/反铁磁异质结的体系提供了新的契机，为设计新型信息存储器件提供了思路，可以通过交变磁场将信息高效存储于反铁磁中且可以使得信息在恒定的磁场环境中非常稳定，并且利用界面的交换耦合作用，通过铁磁读出反铁磁的状态，该工作有助于反铁磁自旋电子学的发展。

图2 ： (a) 定量提取的反铁磁磁畴翻转面积在恒定或交变磁场下随时间的变化关系。圆圈和实线分别代表实验测量和拟合结果。(b)和(c)分别表示磁场方向改变前后，铁磁和反铁磁层磁畴及自旋结构的示意图。

我系博士生许佳、香港中文大学博士生夏静和张溪超为论文共同第一作者，我系吴义政教授和香港中文大学周艳教授为论文共同通讯作者。论文的合作者还包括南京大学丁海峰教授以及中国科学技术大学国家同步辐射实验室李倩研究员。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部重大研发计划、上海市科委、复旦大学和应用表面物理国家重点实验室等经费的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.137201