电子辅助实现斯格明子磁泡的生成和直线运动 | 进展

大数据、云计算、智能化的信息时代迫切需要高密度、高速度、低功耗的磁性信息处理方案。以磁性斯格明子为代表的磁矩空间排列具有拓扑构型的新型磁畴结构，亦即拓扑磁畴结构，有望作为新型磁性信息单元，大幅度提高存储密度的同时兼具数据信息使役稳定性和读写技术方法多样性的优势，是当前自旋电子学领域的研究热点和关键科技应用前沿。诺贝尔奖获得者Albert Fert教授提出的新型拓扑磁赛道存储和美国科学院院士Parkin教授发展的赛道存储技术，原理上都是利用电流驱动磁畴结构运动来实现数据信息的传输寻址功能。然而，铁磁材料中非平庸的磁斯格明子被电流驱动过程中会受到内禀斯格明子霍尔效应的马格努斯力而侧向偏转甚至湮灭，平庸的磁泡会在电流作用下湮灭，因此基于拓扑磁畴运动开发新型磁性器件研究还需要解决许多关键科学问题。

图1 TbMn6Sn6单晶Kagome平面内由电子束辅助诱导自旋重取向附近动态磁矩变化形成斯格明子磁泡点阵

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室沈保根院士和张颖研究员共同指导博士生李卓霖，利用集高分辨磁畴成像、原位多场调控、物性测量、微纳加工等功能的磁性材料综合特色研究平台，在前期笼目（Kagome）量子阻挫磁体TbMn6Sn6的ac面发现拓扑斯格明子（Adv. Mater. 35 (2023) 202211164），在此基础上，聚焦具有磁阻挫Kagome格子ab面的磁畴结构研究。他们发现充分利用室温附近磁自旋重取向（磁矩方向转变）这一本征动态能量竞争过程，借助较小的电子能量（电子束和电流）改变自旋重取向界面局部磁矩方向可以推进自旋重取向沿一定方向逐渐转变，尤其同时引入结构边缘的限域挤压作用，就可以实现室温、零磁场下斯格明子磁泡的可控生成以及电流、温度外场下随自旋重取向界面的整体直线运动，有效解决了斯格明子霍尔效应引起偏转的关键问题，为磁性信息写入和直线传输提供了新的研究思路和实现方法，微磁学模拟进一步揭示了上述实验结果的作用机制，推进了原理型器件的研究。

图2 几何受限边界作用下电子束辅助诱导自旋重取向界面挤压产生的单个或斯格明子磁泡阵列可以在零场存在

相关结果以“Electron‐Assisted Generation and Straight Movement of Skyrmion Bubble in Kagome TbMn6Sn6”为题发表在近期的《Advanced Materials》上。该研究在中国人民大学雷和畅教授、美国阿拉莫斯国家实验室林士增研究员、安徽大学王守国教授，北京理工大学沈俊教授和物理所赵同云研究员、蔡建旺研究员的大力支持下共同完成。此项研究获得了国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。

图3 通过温度诱发自旋重取向界面移动实现斯格明子磁泡的整体直线运动

图4 室温零磁场下脉冲电流诱发自旋重取向转变驱动单个磁泡直线运动

编辑：雪影

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