磁斯格明子非线性输运行为新机理——自旋晶格耦合效应

磁性斯格明子是一种具有手性涡旋组态的磁畴结构。它具有高微结构稳定性，可以在较低的电流密度或其它外场作用下高速运动，被认为是下一代自旋电子器件的理想信息载体。然而，由于缺乏磁性斯格明子结构力磁耦合效应的原子尺度研究手段，关于磁性斯格明子输运行为的微观动力学行为一直没有得到准确描述和预测，制约了磁性斯格明子功能器件的发展。

传统的微磁理论模拟认为，无缺陷材料中的磁性斯格明子在电流、磁场梯度或温度场梯度等外场驱动下的定向运动速度与外场强度呈线性关系。而最近的实验观测发现，磁性斯格明子定向运动感受到保守势场作用而呈现奇异的非线性输运行为。大多数研究人员认为这一行为是由于磁性斯格明子受到了晶格缺陷钉扎作用而引起，但产生这一现象的微观机制始终不清晰。

图1：(a)单个磁性斯格明子自旋组态（箭头表示面内自旋分量，由其面外分量进行着色）和(b)局域晶格畸变场（LLDF）示意图（箭头表示原子相对其晶格的偏移）；(c)当磁性斯格明子在外场作用下定向运动时，其感受到LLDF提供的阻力；(d)当LLDF在外场作用下定向运动时，磁性斯格明子感受到LLDF提供的牵引力。在(c)和(d)，彩色箭头表示顶部的磁斯格明子结构；彩色火花表示LLDF感受到的具有与母体晶体相同晶格周期性的保守势场；而连接磁性斯格明子和LLDF的彩色杆代表了由于自旋晶格耦合效应而产生的相互作用。

中山大学郑跃教授团队针对磁性斯格明子扩散势垒的微观机制给出了新的机理解释——自旋晶格耦合效应（spin-lattice coupling, SLC）。由于磁性斯格明子结构对应的自旋组态具有局部的非均匀分布，在自旋晶格耦合作用下，导致局域晶格畸变场（Local lattice distortion field, LLDF），如图1(a)和(b)所示；而LLDF又可以反过来影响磁性斯格明子的动态演化行为，见图1(c)和(d)。该研究成果于2021年8月24日以“Microdynamic Study of Spin-Lattice Coupling Effects on Skyrmion Transport”为题在线发表在 Physical Review Letter 上。

首先，该项工作将自旋晶格动力学模拟方法拓展到磁性斯格明子体系，研究了无外场下磁性斯格明子自由扩散行为和磁场梯度下的磁性斯格明子定向运动，发现SLC效应引起的LLDF与磁性斯格明子相互作用为磁性斯格明子提供了一个保守势场作用，使磁性斯格明子扩散呈现奇异的非线性行为（见图2左子图）。

其次，通过构造并定向移动LLDF，磁性斯格明子在SLC效应影响下受到牵引力作用，呈现与LLDF一致的定向运动并伴随着回旋运动，证实了LLDF与磁性斯格明子相互作用的存在（见图2右子图）。同时，通过描述磁性斯格明子运动的蒂勒方程，解析分析了LLDF对磁性斯格明子输运行为的影响机制与规律。该项研究揭示了磁性斯格明子演化行为的普适性，其等价于布朗粒子逃逸保守势场的输运行为，并与Kramers解析理论预测相一致。另外，该项研究也展示了内禀自旋晶格耦合对于磁性斯格明子的精准调控有着重要作用，证实了自旋晶格动力学模拟是研究磁性斯格明子动态演化及其功能特性调控有效的原子尺度模拟方法。

图2：左图展示了单个磁斯格明子受到LLDF阻碍作用时的布朗运动模拟结果：(a)和(b)为磁斯格明子在无外场下的经典Arrhenius扩散行为，并与实验观测相一致；(c)是外场下的斯格明子定向运动受到LLDF阻碍时的非线性输运行为。右图为LLD牵引磁斯格明子定向运动的模拟结果：(a)-(d)是LLDF（下部子图）和磁斯格明子（中部子图）在不同时刻的位置及轨迹图（上部子图）；以及(e)能量耗散曲线与磁斯格明子轨迹示意图。

该工作由中山大学独立完成，物理学院为第一单位，合作单位包括光电材料与技术国家重点实验室、中法核工程与技术学院和材料学院，物理学院博士生伍一丰为第一作者，郑跃教授和文豪华副教授为共同通讯作者，陈伟津副教授也参与了该项研究工作。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委重点项目、广东省自然科学基金、中山大学高校基础科研业务等项目以及国家超级计算广州中心的大力支持。

*中国科协科学技术传播中心支持

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论文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.097201