科學家實現磁場對「靶」斯格明子態的極性反轉調控

近日，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、美國新罕布希爾大學臧佳棟研究組與德國尤利西研究中心Rafal研究組合作，利用電子全息技術首次實驗上直接觀察到二重簡併的「靶」斯格明子態（target skyrmion），並實現了磁場對「靶」斯格明子態的極性反轉調控。11月13日，相關研究成果以Direct Imaging of a Zero-Field Target Skyrmion and Its Polarity Switch in a Chiral Magnetic Nanodisk為題，發表在《物理評論快報》上。該工作被選為當期的特色亮點文章，並以Focus: Field-Free Spin Patterns為題，在美國物理學會Physics上進行專題報道和評述。

磁性斯格明子(skyrmion)是具有軸對稱的拓撲穩定的新型自旋構型，因在未來低能耗高密度存儲自旋器件的應用中具有潛力，而成為國際磁學領域研究的前沿與熱點。作為自旋磁存儲器件的比特，磁性斯格明子面臨的瓶頸是需要一個外加磁場才能穩定。如何實現在沒有外加磁場的條件下，獲得穩定的磁斯格明子態成為器件應用道路中急需突破的關鍵問題。2013年，課題組在國際上率先從理論上預言了在FeGe納米盤中存在不需要外磁場下就可以穩定的「靶」斯格明子態，它是由處於納米盤中心的單個磁斯格明子和圍繞在它周圍的一個或者更多的螺旋條紋疇組成。但由於實現「靶」斯格明子態的觀察需要製備百納米尺寸的樣品，且需要小於5納米的儀器磁解析度, 使其實驗研究極具挑戰性。

課題組研究人員利用聚焦離子束（FIB）技術，在前期發展的非磁金屬包裹磁性納米盤技術的基礎上，製備了直徑約為160nm，厚度約為90nm的 FeGe 納米盤，並利用電子全息成像技術（off-axis electron holography）首次實現了課題組前期理論預言的「靶」斯格明子態的直接觀測，以及磁場對兩種不同手性的「靶」斯格明子態極性反轉的調控。理論模擬結果與實驗一致，進一步揭示了「靶」斯格明子的普遍性及其形成機制。

研究工作受到了國家重點研發計劃、基金委優秀青年科學基金項目、中科院前沿科學重點研究計劃、中科院重點部署項目、中科院青年促進會、南京大學協同創新中心等的資助。

利用電子全息技術觀察到的靶斯格明子及其在外磁場下極性反轉現象

來源：中國科學院合肥物質科學研究院

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