合肥研究院等在斯格明子材料研究中取得進展

　　具有非中心對稱立方結(jié)構(gòu)的金屬螺旋磁體，如MnSi、FeGe，由于同時存在自旋、軌道、晶格多種自由度的關(guān)聯(lián)與耦合，表現(xiàn)出豐富的材料特性，一直是金屬磁性材料領(lǐng)域研究的熱點與前沿。2009年，科研人員在此類材料中發(fā)現(xiàn)一種拓?fù)浞€(wěn)定且具有粒子特性的磁結(jié)構(gòu)，即磁斯格明子（Skyrmion）。斯格明子具有尺寸小、穩(wěn)定性高和易操控等系列特點，具有潛在的應(yīng)用價值，可用于構(gòu)建未來高密度、高速度、低能耗磁存儲器件，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。制備、探索并利用螺旋磁體納米結(jié)構(gòu)的物性，是推進斯格明子實用化的關(guān)鍵之一。

　　中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強磁場科學(xué)中心田明亮課題組杜海峰博士從2010年一直致力于這個領(lǐng)域的研究，與合作者研究了螺旋磁體納米盤中S相的穩(wěn)定性以及在磁場下的動力學(xué)行為，從理論上成功預(yù)言一個新穎的“靶S態(tài)”磁結(jié)構(gòu)，且這個“靶S態(tài)”的產(chǎn)生不需要磁場，是一個自發(fā)的磁基態(tài)【EPL, 101, 37001 (2013)；PRB, 87, 014401 (2013)】。隨后，在MnSi納米線中實現(xiàn)單個斯格明子的產(chǎn)生與湮滅時的電探測，觀察到磁阻的不連續(xù)跳躍臺階【Nano Lett., 14, 2026 (2014)，Nature Commun., 6, 7637 (2015)】，這一發(fā)現(xiàn)為單斯格明子量子器件的開發(fā)提供了重要的實驗依據(jù)。同時，在條帶中實現(xiàn)對單個斯格明子鏈的直接實驗觀察，發(fā)現(xiàn)斯格明子邊緣形核與穩(wěn)定的機制以及首次清晰給出了斯格明子相的磁場-溫度和溫度-尺寸的關(guān)系相圖【Nature Commun., 6, 8506 (2015) 】，此項研究為小器件的設(shè)計與制備提供了指南。

　　最近，美國新罕布什爾大學(xué)藏佳棟博士與課題組合作，理論預(yù)言在M2Mo3N (M=Fe, Co, Ni, Rh.......)這類材料中存在反對稱的DM相互作用，進一步預(yù)期這類材料存在磁斯格明子相。課題組經(jīng)過探索，成功合成設(shè)計出系列樣品且實驗驗證了理論的預(yù)期（圖1）。實驗結(jié)果表明:這類新發(fā)現(xiàn)的磁斯格明子材料的居里溫度可以達到液氮以上溫度，其最突出的特點是在M位摻雜磁性或者重金屬元素不會改變晶體的結(jié)構(gòu)，從而可以實現(xiàn)通過摻雜效應(yīng)來調(diào)控其磁學(xué)性能。相關(guān)的實驗結(jié)果以Emergence of skyrmions from rich parent phases in the molybdenum nitrides 為題在線發(fā)表于Physical Review B (Rapid Communications)上。

　　另外，課題組與復(fù)旦大學(xué)車仁超研究組合作研究了高對稱的納米盤中磁斯格明子動力學(xué)行為，利用洛倫茨電子顯微鏡直接觀測到了前期理論預(yù)期的“團簇態(tài)”，進一步還發(fā)現(xiàn)了溫度誘導(dǎo)的斯格明子“團簇態(tài)”之間特殊的動力學(xué)轉(zhuǎn)變過程（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)擴展了人們過去對禁閉幾何中斯格明子動力學(xué)的理解，為斯格明子器件的設(shè)計與制備提供了指南。相關(guān)結(jié)果以Direct imaging of magnetic field-driven transitions ofskyrmion cluster states in FeGe nanodisks 為題發(fā)表在《美國科學(xué)院院刊》（PNAS）上。

　　上述研究成果得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年促進會等項目的資助。該工作合作單位包括中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所及南京大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心。

圖1：制備的M2Mo3N樣品以及觀測到的磁斯格明子態(tài)

圖2：利用洛倫茨透射電子顯微鏡直接觀測到的納米盤中斯格明子“團簇態(tài)”的特殊動力學(xué)過程