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物理所等發(fā)現(xiàn)多拓?fù)鋺B(tài)寬溫區(qū)磁性斯格明子

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物理所等發(fā)現(xiàn)多拓?fù)鋺B(tài)寬溫區(qū)磁性斯格明子

摘要: 　　磁性斯格明子（Magnetic Skyrmion）是一種具有手性自旋的納米磁疇結(jié)構(gòu)單元。由于它具有拓?fù)浔Ｗo(hù)性、低驅(qū)動(dòng)電流密度（比驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)疇壁低5～6個(gè)數(shù)量級(jí)），以及磁場(chǎng)、溫度和電場(chǎng)等多物理作用調(diào)控的特性，磁性斯格明 ...

　　磁性斯格明子（Magnetic Skyrmion）是一種具有手性自旋的納米磁疇結(jié)構(gòu)單元。由于它具有拓?fù)浔Ｗo(hù)性、低驅(qū)動(dòng)電流密度（比驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)疇壁低5～6個(gè)數(shù)量級(jí)），以及磁場(chǎng)、溫度和電場(chǎng)等多物理作用調(diào)控的特性，磁性斯格明子被認(rèn)為是未來(lái)高密度、高速度、低能耗信息存儲(chǔ)器件的核心材料。然而，目前大局部磁性斯格明子材料體系居里溫度偏低和穩(wěn)定存在溫區(qū)窄，成為材料實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。開(kāi)發(fā)寬溫區(qū)跨室溫磁性斯格明子新材料是目前磁電子學(xué)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)熱點(diǎn)，也是推進(jìn)磁性斯格明子實(shí)用化的關(guān)鍵。
　　中國(guó)科學(xué)院物理學(xué)習(xí)所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M05學(xué)習(xí)組長(zhǎng)期致力于金屬間化合物磁-結(jié)構(gòu)相變及新型磁性功能材料的開(kāi)發(fā)和物性學(xué)習(xí)，先后獲得了多種磁相變材料體系。提出了磁性-化學(xué)鍵競(jìng)爭(zhēng)影響物質(zhì)結(jié)構(gòu)的想法，利用化學(xué)鍵調(diào)控結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性這一思路，通過(guò)抑制六角合金MnNiGe的結(jié)構(gòu)相變，將結(jié)構(gòu)失穩(wěn)引導(dǎo)為磁結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，首次在具有中心對(duì)稱(chēng)晶體結(jié)構(gòu)六角合金MnNiGa中觀察到了寬溫區(qū)跨室溫雙渦旋磁性斯格明子[Advanced Materials 28， 6887 (2016)；（中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利，申請(qǐng)?zhí)?01610308496）]。他們通過(guò)變溫中子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了六角合金MnNiGa在居里溫度以下的寬溫度區(qū)間內(nèi)具有非共線螺旋磁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，這被認(rèn)為是寬溫區(qū)磁性斯格明子穩(wěn)定存在的內(nèi)在原因。這一結(jié)果對(duì)新型磁性斯格明子材料探索具有重要指導(dǎo)意義。
　　最近，該課題組學(xué)習(xí)員王文洪、副學(xué)習(xí)員劉恩克及博士后侯志鵬、學(xué)習(xí)生丁貝等，在上述六角合金MnNiGa磁性斯格明子學(xué)習(xí)工作基礎(chǔ)上，在寬溫區(qū)磁性斯格明子新材料探索方面再次取得新進(jìn)展。他們?cè)贙agome晶格阻挫磁性金屬間化合物Fe3Sn2中，首次獲得目前具有最高居里溫度（～640K）及最寬溫度區(qū)域（120K～640K）穩(wěn)定存在的多拓?fù)鋺B(tài)磁性斯格明子。
　　如圖 1(a) 所示，F(xiàn)e3Sn2是由雙層Fe-Sn原子層和Sn原子層交替組成，其中Fe原子構(gòu)成雙層Kagome三角格子并具有自旋阻挫。他們精心設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)助溶劑法生長(zhǎng)出高質(zhì)量的Fe3Sn2單晶，細(xì)致的磁測(cè)量證實(shí)了該材料在居里溫度640K到120K寬溫域范圍內(nèi)存在著磁結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。如圖1(b)所示，在居里溫度以下，自旋即有序化為帶有傾角的阻挫結(jié)構(gòu)，其矢量和方向指向c軸。然后隨著溫度的降低，自旋的集體取向逐漸轉(zhuǎn)到ab面內(nèi)。隨后通過(guò)微磁模擬，如圖1（c）和（d）所示，他們發(fā)現(xiàn)在Fe3Sn2的Ku和Ms變化范圍內(nèi)可以獲得拓?fù)淦接勾排莺屯負(fù)浞瞧接勾排荩ù潘垢衩髯樱┙Y(jié)構(gòu)納米磁疇共存的狀態(tài)，并且發(fā)現(xiàn)受拓?fù)浔Ｗo(hù)的斯格明子具有更高的臨界磁場(chǎng)（穩(wěn)定性）。進(jìn)一步，他們通過(guò)洛倫茲電鏡觀察到Fe3Sn2單晶樣品隨著垂直于ab面磁場(chǎng)的增加，基態(tài)條狀磁疇逐漸轉(zhuǎn)變成拓?fù)淦接勾排莺屯負(fù)浞瞧接勾排荩ㄋ垢衩髯樱┘{米磁疇的過(guò)程（圖2）。隨著磁場(chǎng)的增加，那些拓?fù)淦接勾排葜饾u消失，受拓?fù)浔Ｗo(hù)的磁性斯格明子具有更高臨界磁場(chǎng)，這和微磁模擬的結(jié)果高度一致。這種多種拓?fù)鋺B(tài)自旋結(jié)構(gòu)是以前報(bào)導(dǎo)的磁性斯格明子材料所沒(méi)有的特性。更為重要的是，如圖3變溫洛倫茲電鏡觀察所示，如果在室溫下將樣品先磁化到未飽和狀態(tài)（比如圖2的b狀態(tài)），在磁場(chǎng)退回到零場(chǎng)后會(huì)出現(xiàn)基態(tài)條狀磁疇和磁性斯格明子疇共存的現(xiàn)象（“零場(chǎng)穩(wěn)定的磁性斯格明子”），并在此后的降溫過(guò)程中斯格明子密度逐漸增加。對(duì)“零場(chǎng)磁性斯格明子”的自旋結(jié)構(gòu)分析表明，它具有與圖2的四種類(lèi)型不同的結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出“同芯多環(huán)”的拓?fù)湫问健?br>　　該工作進(jìn)一步提高了該組此前發(fā)現(xiàn)的MnNiGa雙磁性斯格明子新材料的居里溫度（從340K提高到640K），獲得目前最寬溫區(qū)（120K-640K）跨室溫多拓?fù)鋺B(tài)斯格明子材料，同時(shí)觀察到不同拓?fù)鋺B(tài)自旋結(jié)構(gòu)斯格明子的相互轉(zhuǎn)變行為（見(jiàn)圖4）。該工作為推動(dòng)磁性斯格明子的進(jìn)一步學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用，以及對(duì)自旋拓?fù)湮飸B(tài)的深入學(xué)習(xí)都具有重要的意義。相關(guān)工作的核心成果已申請(qǐng)中國(guó)專(zhuān)利（申請(qǐng)?zhí)枺?01710512958.2），局部學(xué)習(xí)結(jié)果發(fā)表在近期的先進(jìn)材料（Advanced Materials，DOI:10.1002/adma.2017101144）雜志上。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委（11474343， 11574374， 11604148，51471183， 51590880， 51331006）、科技部（2017YFA0303200）和中科院先導(dǎo)B（XDB07010300）項(xiàng)目等基金的資助。參與該工作的合作者還包括：物理所副學(xué)習(xí)員張穎和中科院院士沈保根，中科院金屬學(xué)習(xí)所副學(xué)習(xí)員任衛(wèi)軍和學(xué)習(xí)員張志東，南京理工大學(xué)博士徐桂舟和教授徐鋒，以及沙特國(guó)王科技大學(xué)教授張西祥等。



　　圖1. (a) Fe3Sn2晶體結(jié)構(gòu)和自旋阻挫磁結(jié)構(gòu)；(b) 實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到磁各向異性常數(shù)Ku隨溫度變化規(guī)律；微磁模擬發(fā)現(xiàn)：(c) 通過(guò)調(diào)節(jié)磁晶各向異性Ku和飽和磁交換常數(shù)A的數(shù)值，獲得拓?fù)淦接勾排莺头瞧接勾排荩ㄋ垢衩髯樱┙Y(jié)構(gòu)納米磁疇共存的狀態(tài)；(d)隨外加磁場(chǎng)的增大，那些拓?fù)淦接勾排輹?huì)首先消失，而受拓?fù)浔Ｗo(hù)的磁性斯格明子具有更高的臨界磁場(chǎng)。



　　圖2. Fe3Sn2單晶樣品室溫下的洛倫茲電鏡照片：（a-d）隨著垂直磁場(chǎng)的增加拓?fù)淦接勾排荩?和2）和拓?fù)浞瞧接勾排荩ㄋ垢衩髯?和4）磁疇的逐漸產(chǎn)生（數(shù)字表示不同的拓?fù)鋺B(tài)類(lèi)型）。隨著外磁場(chǎng)的增大，拓?fù)淦接勾排輹?huì)逐漸消失，而受拓?fù)浔Ｗo(hù)的磁性斯格明子具有更高的臨界磁場(chǎng)，這和微磁模擬結(jié)果一致。（e-h）室溫拓?fù)淦接勾排荩?和2）和磁性斯格明子（3和4）自旋結(jié)構(gòu)。



　　圖3. Fe3Sn2單晶樣品變溫的洛倫茲電鏡照片：將樣品進(jìn)行未飽和磁化（~600mT）再回到零磁場(chǎng)下，觀察到條狀磁疇和斯格明子納米磁疇共存，并在降溫中增加密度（a-d）；對(duì)應(yīng)彩圖顯示為給定溫度下零場(chǎng)斯格明子的“同芯多環(huán)”自旋結(jié)構(gòu)（e-f）。



　　圖4. 實(shí)時(shí)觀測(cè)到拓?fù)渫咦孕Y(jié)構(gòu)斯格明子“3”和“4”之間的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程。物理所等發(fā)現(xiàn)多拓?fù)鋺B(tài)寬溫區(qū)磁性斯格明子  |  責(zé)任編輯：蟲(chóng)子
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