清華新聞網(wǎng)1月7日電 磁斯格明子是微、納米尺度上的一種具有類粒子特性的拓?fù)浞瞧接棺孕Y(jié)構(gòu)，能被磁場(chǎng)、電流、電場(chǎng)等多種方式操控，在自旋電子學(xué)方面有著重要的應(yīng)用前景，有望成為下一代信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算的載體。同時(shí)，斯格明子也涌現(xiàn)出新奇、豐富的物理現(xiàn)象，如拓?fù)浠魻栃?yīng)、斯格明子霍爾效應(yīng)等，具有重要的科學(xué)意義。近年來(lái)，隨著斯格明子相關(guān)研究的深入，探索不同拓?fù)鋽?shù)的自旋結(jié)構(gòu)以及揭示其三維自旋結(jié)構(gòu)成為研究熱點(diǎn)。這其中磁斯格明子包是近幾年才在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的一種拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)。斯格明子包可以理解成內(nèi)部N個(gè)斯格明子被外面一個(gè)大的斯格明子（拓?fù)鋽?shù)與內(nèi)部斯格明子相反）包圍形成，因其可以具有任意高拓?fù)鋽?shù)Q=N-1而引人關(guān)注，高拓?fù)鋽?shù)使得其相比于斯格明子可以擁有更高的信息編碼自由度，同時(shí)斯格明子包為拓?fù)浯艑W(xué)研究提供了新的平臺(tái)。目前對(duì)斯格明子包的研究主要集中在單相塊體材料方面，具有諸多優(yōu)點(diǎn)的磁性多層膜結(jié)構(gòu)中斯格明子包的研究還有待深入。
圖1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果（磁疇由磁力顯微鏡MFM成像）。（a）樣品結(jié)構(gòu)示意圖。（b）受限圓盤陣列形貌圖（原子力顯微鏡AFM圖）。（c）“網(wǎng)狀疇”轉(zhuǎn)變成斯格明子包的過(guò)程。（d）斯格明子包拓?fù)鋽?shù)對(duì)圓盤尺寸的依賴性。（e）磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)斯格明子包拓?fù)鋽?shù)的逐級(jí)轉(zhuǎn)變
圖2.微磁模擬結(jié)果。（a）模擬“網(wǎng)狀疇”轉(zhuǎn)變成斯格明子包的過(guò)程。（b）從能量角度解釋斯格明子包拓?fù)鋽?shù)對(duì)圓盤尺寸的依賴性。（c）和（d）模擬的斯格明子包疇壁手性結(jié)構(gòu)在樣品厚度方向的分布
最近，清華大學(xué)物理系趙永剛研究組利用基于磁控濺射技術(shù)生長(zhǎng)的典型斯格明子體系[Ta/CoFeB/MgO]×15多層膜結(jié)構(gòu)（圖1a），探索出一種在受限結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生能在室溫、零磁場(chǎng)下穩(wěn)定的單個(gè)斯格明子包的方法。利用微加工得到不同尺寸的微米級(jí)受限圓盤陣列（圖1b），發(fā)現(xiàn)對(duì)于合適尺寸的圓盤，利用小角度飽和傾斜磁場(chǎng)磁化后能得到“網(wǎng)狀”疇結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)進(jìn)一步在面外磁場(chǎng)誘導(dǎo)下可逐步轉(zhuǎn)變成斯格明子包結(jié)構(gòu)（圖1c），并且在撤去磁場(chǎng)后斯格明子包結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，探索了斯格明子包的相關(guān)性質(zhì)，包括斯格明子包拓?fù)鋽?shù)對(duì)受限圓盤尺寸的依賴性（圖1d）、宏觀磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的拓?fù)鋽?shù)逐級(jí)轉(zhuǎn)變（圖1e）以及局域磁場(chǎng)調(diào)控行為等。通過(guò)與北京理工大學(xué)的黃厚兵教授合作，利用微磁學(xué)仿真分析了受限圓盤的特殊邊界條件（邊界附近高磁各向異性能密度區(qū)域）對(duì)于斯格明子包產(chǎn)生和零場(chǎng)穩(wěn)定性的機(jī)制，從能量角度解釋了斯格明子包拓?fù)鋽?shù)對(duì)于圓盤尺寸的依賴性，同時(shí)分析了厚度方向斯格明子包疇壁手性結(jié)構(gòu)的分布，并進(jìn)一步探索了不同材料參數(shù)下斯格明子包的穩(wěn)定情況（進(jìn)而分析該斯格明子包制備方法對(duì)于其他材料的適用性），部分模擬結(jié)果如圖2所示。該工作為磁性多層膜結(jié)構(gòu)中斯格明子包的研究提供了一種有效方法，也將激發(fā)后續(xù)進(jìn)一步的研究工作。
相關(guān)研究成果以“多層磁碟中單個(gè)斯格明子包的室溫生成和轉(zhuǎn)換”（Room-temperature creation and conversion of individual skyrmion bags in magnetic multilayered disks）為題，于1月2日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)物理系教授趙永剛和北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授黃厚兵為論文通訊作者。清華大學(xué)物理系2019級(jí)博士生劉權(quán)、北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院2020級(jí)博士生董守哲、清華大學(xué)物理系2018級(jí)博士生王雨桐為論文共同第一作者。論文合作者包括中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員蔡建旺，蘭州大學(xué)教授柴國(guó)志，清華大學(xué)教授宋成、副教授江萬(wàn)軍、朱靜院士、南策文院士等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)專項(xiàng)等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-55489-z
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
