条形磁畴轨道中实现反斯格明子电流驱动的突破 | 进展

具有拓扑特性的纳米尺度磁性（反）斯格明子有望作为新型磁性信息单元构建高密度、高速度、低功耗的磁性信息器件来满足大数据、云计算、智能化信息时代的迫切需要，是当前凝聚态物理和自旋电子学领域的研究热点和关键科技应用前沿。然而，磁性（反）斯格明子不容易被电流驱动，而且一旦开始运动，还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导致信息丢失，使得利用电流驱动磁畴结构实现数据信息传输寻址功能的拓扑存储器件发展面临严重的技术瓶颈问题。特别是，反斯格明子虽然与斯格明子具有相似的拓扑特性但至今尚未有电流驱动的实验报道。

图1 室温零磁场下实现低电流密度驱动反斯格明子沿条形磁畴直线运动。

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张颖研究员团队在沈保根院士的统筹指导下，近几年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，在解决拓扑磁性斯格明子温度和磁场稳定性方面取得了众多创新性研究成果，积累了丰富的经验。近期，该研究团队在实现拓扑磁畴结构高效传输方面，取得了突破性进展，为原理型器件的开发提供了强有力的实验和物理依据。利用较小的电子能量改变自旋重取向界面局部磁矩方向实现了室温、零磁场下斯格明子磁泡随自旋重取向界面的整体直线运动（Adv. Mater. (2024) 2309538）。

图2 电流方向、电流密度大小和脉冲宽度对反斯格明子直线运动的影响。

进一步通过调控Mn1.4PtSn手性磁体将反斯格明子限域在具有天然直线轨道的条形磁畴中，利用电流自旋转移力矩效应改变反斯格明子两侧磁矩方向，国际上率先实现了反斯格明子电流驱动。此时反斯格明子受到的偏转马格努斯力与天然轨道限域反作用力相互抵消保证了直线运动，且驱动电流密度（~4 x 109Am-2）比传统磁电子学器件降低了2个数量级，突破了此前反斯格明子没能被电流驱动的现状，同时解决了（反）斯格明子霍尔效应偏转的瓶颈问题，获得了适合器件应用的兼具室温、零磁场、低功耗、直线运动的反斯格明子特性。进一步借助微磁学模拟和集体钉扎理论，研究团队揭示了（反）斯格明子在螺旋条纹背景中相较于典型铁磁状态下更容易被驱动的物理机制，且该方法具有很好的普适性，可扩展至条纹磁畴内的拓扑麦纫或斯格明子的直线低电流密度驱动。

图3低电流密度驱动反斯格明子沿条形磁畴直线运动的物理机制。

该工作首次实验报道了反斯格明子的电流驱动行为，相关结果以“Experimental observation of current-driven antiskyrmion sliding in stripe domains”为题发表在《Nature Materials》。中国科学院物理研究所磁学实验室M07组博士生何至东为第一作者，中国科学院物理研究所张颖研究员和美国阿拉莫斯国家实验室的林士增研究员为共同通讯作者，同时中国科学院物理研究所的沈保根院士、赵同云研究员、蔡建旺研究员、北京理工大学沈俊教授、安徽大学王守国教授、清华大学宋成教授大力支持共同完成该工作。

图4该方法实现了拓扑麦纫在室温零磁场下沿条形磁畴的直线运动。

此项研究获得了中国科学院先导科技专项、国家自然科学基金委、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。

编辑：ArtistET

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