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研究成果

强磁场中心在拓扑磁斯格明子研究中再获突破

来源： 时间：2017-06-08作者：王莎莎

 

强磁场科学中心田明亮课题组杜海峰研究员在国际上首次利用电子全息技术观测到几何受限体系下单个磁斯格明子的形貌变化。6月6日，课题组金驰名博士的论文以“Control of morphology and formation of highly geometrically confined magnetic skyrmions”为题发表在国际著名期刊《自然通信》（Nature Communications）上。

（文章链接：https://www.nature.com/articles/ncomms15569）

传统的计算机硬盘无论是存储密度与读写的速度都已经达到了极限. 寻找具有低能耗和高密度存储功能的新型磁性材料是目前磁学领域的热点与前沿.磁斯格明子(skyrmion)是具有轴对称的拓扑稳定的新型自旋构型，不仅尺寸小且具有“粒子”特性, 在空间可以形成晶格排列。尤其重要的是，其拓扑稳定性导致电子可以非常有效的与磁斯格明子耦合产生拓扑霍尔效应和大的电子自旋转移矩效应，从而在电流的驱动下可以使磁斯格明子晶格发生旋转，旋转所需要的电流密度值（～106A/m2）约是常规磁性金属或半导体中实现磁化反转或磁畴运动所需临界电流密度的十万分之一。可以想象，由包含磁斯格明子的磁性材料制成的自旋电子学器件将具有非常小的能耗,从而在未来低能耗自旋器件的应用中具有潜力而引起国际高度关注。

 


 

                                   上图：理论预期的磁斯格明子形貌随纳米条带宽度的变化关系

                                   下图：利用电子全息技术获得的形状可调的磁斯格明子链形貌

磁斯格明子用于构建高性能磁存储的一个基本设计是：利用自旋极化电流驱动纳米条带中整齐排列的磁斯格明子链的运动来实现信息的编码。这种设计原则上剔除了硬盘存储中的机械移动装置，并且可以构建三维的存储体系。因而，这种设计在理论上具有高速度、高密度的优点。然而，由于小样品在材料制备、磁结构实验观察存在很大的困难。

田明亮课题组的杜海峰研究员经过近三年时间的反复实验摸索，以金属螺旋磁体FeGe为具体研究对象，发展出了一套完整的纳米样品制备加工新方法，先后实现了在纳米条带和纳米盘受限几何下单个磁斯格明子的实空间观察及电探测（如Nano Lett.14, 2026−2032 (2014)；Nat. Commun. 6, 7637(2015)；Nat. Commun.6, 8504 (2015)；PNAS113, 4918–4923(2016)等）。在前期研究的基础上，课题组通过与德国尤利西研究中心李子安博士以及Nikolai博士在纳米磁性材料的显微表征以及理论模拟方面开展合作，详细研究了FeGe楔形纳米条带中斯格明子的成核及演化行为。通过透射电子显微镜的电子全息模式，发现斯格明子在几何受限的情况下可以通过改变它的大小和椭偏率而稳定出现在宽度渐变的纳米条带中。结果表明在几何受限体系中斯格明子的形貌具有高度可调性，这一发现修正了人们以前普遍认为的磁斯格明子的尺寸具有“刚性”不可调性的认识，有助于构建斯格明子基存储器件。

上述研究成果得到了国家自然科学基金优秀青年基金，中国科学院前沿科学重点研究项目，中国科学院青年促进会、南京大学协同创新中心的资助。

 

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