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構的金屬螺旋磁體，如MnSi、FeGe，由于同時存在自旋、軌道、晶格多種自由度的關聯與耦合，表現出豐富的材料特性，一直是金屬磁性材料領域研究的熱點與前沿。2009年，科研人員在此類材料中發現一種拓撲穩定且具有粒子特性的磁結構，即磁斯格明子（Skyrmion）。斯格明子具有尺寸小、穩定性高和易操控等系列特點，具有潛在的應用價值，可用于構建未來高密度、高速度、低能耗磁存儲器件，引起了學術界的廣泛關注。制備、探索并利用螺旋磁體納米結構的物性，是推進斯格明子實用化的關鍵之一。

　　中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心田明亮課題組杜海峰博士從2010年一直致力于這個領域的研究，與合作者研究了螺旋磁體納米盤中S相的穩定性以及在磁場下的動力學行為，從理論上成功預言一個新穎的“靶S態”磁結構，且這個“靶S態”的產生不需要磁場，是一個自發的磁基態【EPL, 101, 37001 (2013)；PRB, 87, 014401 (2013)】。隨后，在MnSi納米線中實現單個斯格明子的產生與湮滅時的電探測，觀察到磁阻的不連續跳躍臺階【Nano Lett., 14, 2026 (2014)，Nature Commun., 6, 7637 (2015)】，這一發現為單斯格明子量子器件的開發提供了重要的實驗依據。同時，在條帶中實現對單個斯格明子鏈的直接實驗觀察，發現斯格明子邊緣形核與穩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-尺寸的關系相圖【Nature Commun., 6, 8506 (2015) 】，此項研究為小器件的設計與制備提供了指南。

　　最近，美國新罕布什爾大學藏佳棟博士與課題組合作，理論預言在M2Mo3N (M=Fe, Co, Ni, Rh.......)這類材料中存在反對稱的DM相互作用，進一步預期這類材料存在磁斯格明子相。課題組經過探索，成功合成設計出系列樣品且實驗驗證了理論的預期（圖1）。實驗結果表明:這類新發現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構，從而可以實現通過摻雜效應來調控其磁學性能。相關的實驗結果以Emergence of skyrmions from rich parent phases in the molybdenum nitrides 為題在線發表于Physical Review B (Rapid Communications)上。

　　另外，課題組與復旦大學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行為，利用洛倫茨電子顯微鏡直接觀測到了前期理論預期的“團簇態”，進一步還發現了溫度誘導的斯格明子“團簇態”之間特殊的動力學轉變過程（圖2）。這一發現擴展了人們過去對禁閉幾何中斯格明子動力學的理解，為斯格明子器件的設計與制備提供了指南。相關結果以Direct imaging of magnetic field-driven transitions ofskyrmion cluster states in FeGe nanodisks 為題發表在《美國科學院院刊》（PNAS）上。

　　上述研究成果得到了國家自然科學基金、中國科學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與信息技術研究所及南京大學協同創新中心。

圖1：制備的M2Mo3N樣品以及觀測到的磁斯格明子態

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”的特殊動力學過程