合肥研究院手性磁孤子材料研究獲進(jìn)展

　　近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心張蕾課題組和美國田納西大學(xué)教授David G. Mandrus合作，對(duì)手性磁孤子材料Cr1/3NbS2的臨界行為進(jìn)行研究，并取得進(jìn)展。相關(guān)研究結(jié)果以Tricritical point and phase diagram based on critical scaling in the monoaxial chiral helimagnet Cr1/3NbS2為題，發(fā)表在《物理評(píng)論B》上。 

　　孤子（Soliton）又稱孤立波，是一種在傳播過程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。手性磁孤子（Chiral Magnetic Soliton）是一種自旋按螺旋方式排列形成的“孤子狀”“準(zhǔn)粒子”磁構(gòu)型，其形成是自旋、軌道、晶格等多種自由度之間競(jìng)爭(zhēng)和耦合的結(jié)果，因此，對(duì)于凝聚態(tài)關(guān)聯(lián)電子體系的研究具有重要的物理意義（如圖（a）所示）。手性磁孤子可以在材料中運(yùn)動(dòng)、傳播，并且可以形成手性磁孤子晶格（Chiral Magnetic Soliton Lattice，CSL）。驅(qū)動(dòng)磁孤子運(yùn)動(dòng)所需要的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的微納電子學(xué)器件，并可以通過外磁場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行調(diào)制，因此在自旋電子學(xué)器件方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值（如圖（b）所示）。 

　　實(shí)驗(yàn)上，在非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)Cr1/3NbS2材料中首次發(fā)現(xiàn)了手性磁孤子。對(duì)于Cr1/3NbS2，由于單軸非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致體系中Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用的出現(xiàn)。DM相互作用和鐵磁交換作用的競(jìng)爭(zhēng)，使體系呈現(xiàn)出螺旋磁有序（Helimagnetic，HM）的基態(tài)。在零磁場(chǎng)的條件下，當(dāng)溫度降低到相變溫度Tc以下，會(huì)形成螺旋磁有序的基態(tài)。施加一定的外磁場(chǎng)，會(huì)使螺旋磁有序逐漸調(diào)制到磁孤子態(tài)。進(jìn)一步增加外磁場(chǎng)強(qiáng)度，磁孤子態(tài)最終被極化為鐵磁態(tài)（Polarized Ferromagnetic， PFM）。 

　　研究人員對(duì)磁孤子材料Cr1/3NbS2的臨界行為進(jìn)行研究，確定了其臨界參數(shù)。臨界參數(shù)顯示Cr1/3NbS2中的自旋-自旋相互作用屬于短程的海森堡相互作用，研究表明磁性孤子是一種亞穩(wěn)態(tài)的磁有序結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，借助臨界參數(shù)，對(duì)臨界區(qū)域的磁化曲線進(jìn)行了重新標(biāo)度。通過標(biāo)度率的分析，構(gòu)建了在相變溫度附近詳細(xì)的H-T相圖。Cr1/3NbS2的H-T相圖顯示，其在相變溫度附近存在多種磁有序相（包括螺旋磁有序相，CSL-1態(tài)，CSL-2態(tài)，順磁相，極化鐵磁相）。相圖揭示了其在相變溫度附近存在兩個(gè)臨界點(diǎn)：一個(gè)臨界點(diǎn)在手性磁孤子態(tài)、極化鐵磁態(tài)和順磁態(tài)的交匯點(diǎn)（~310 Oe）；另一個(gè)臨界點(diǎn)在螺旋磁有序態(tài)、手性磁孤子態(tài)和順磁態(tài)的交匯點(diǎn)（~85 Oe）。研究結(jié)果和近期的理論預(yù)言相一致。這一研究進(jìn)展推進(jìn)了人們對(duì)手性磁孤子材料的微觀物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)和理解。 

　　該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、大科學(xué)裝置聯(lián)合基金等的支持。 

　　論文鏈接

　?。╝）外磁場(chǎng)調(diào)制下手型磁孤子的形成和構(gòu)型（b）電流驅(qū)動(dòng)下磁孤子的傳播和運(yùn)動(dòng)（c）磁孤子材料Cr1/3NbS2的標(biāo)度率研究（d）Cr1/3NbS2在相變溫度附近的H-T相圖。