合肥物质科学研究院在斯格明子材料研究中取得进展

具有非中心对称立方结构的金属螺旋磁体，如MnSi、FeGe，由于同时存在自旋、轨道、晶格多种自由度的关联与耦合，表现出丰富的材料特性，一直是金属磁性材料领域研究的热点与前沿。2009年，科研人员在此类材料中发现一种拓扑稳定且具有粒子特性的磁结构，即磁斯格明子（Skyrmion）。斯格明子具有尺寸小、稳定性高和易操控等系列特点，具有潜在的应用价值，可用于构建未来高密度、高速度、低能耗磁存储器件，引起了学术界的广泛关注。制备、探索并利用螺旋磁体纳米结构的物性，是推进斯格明子实用化的关键之一。

中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心田明亮课题组杜海峰博士从2010年一直致力于这个领域的研究，与合作者研究了螺旋磁体纳米盘中S相的稳定性以及在磁场下的动力学行为，从理论上成功预言一个新颖的“靶S态”磁结构，且这个“靶S态”的产生不需要磁场，是一个自发的磁基态【EPL, 101, 37001 (2013)；PRB, 87, 014401 (2013)】。随后，在MnSi纳米线中实现单个斯格明子的产生与湮灭时的电探测，观察到磁阻的不连续跳跃台阶【Nano Lett., 14, 2026 (2014)，Nature Commun., 6, 7637 (2015)】，这一发现为单斯格明子量子器件的开发提供了重要的实验依据。同时，在条带中实现对单个斯格明子链的直接实验观察，发现斯格明子边缘形核与稳定的机制以及首次清晰给出了斯格明子相的磁场-温度和温度-尺寸的关系相图【Nature Commun., 6, 8506 (2015) 】，此项研究为小器件的设计与制备提供了指南。

最近，美国新罕布什尔大学藏佳栋博士与课题组合作，理论预言在M2Mo3N (M=Fe, Co, Ni, Rh.......)这类材料中存在反对称的DM相互作用，进一步预期这类材料存在磁斯格明子相。课题组经过探索，成功合成设计出系列样品且实验验证了理论的预期（图1）。实验结果表明:这类新发现的磁斯格明子材料的居里温度可以达到液氮以上温度，其最突出的特点是在M位掺杂磁性或者重金属元素不会改变晶体的结构，从而可以实现通过掺杂效应来调控其磁学性能。相关的实验结果以Emergence of skyrmions from rich parent phases in the molybdenum nitrides 为题在线发表于Physical Review B (Rapid Communications)上。

另外，课题组与复旦大学车仁超研究组合作研究了高对称的纳米盘中磁斯格明子动力学行为，利用洛伦茨电子显微镜直接观测到了前期理论预期的“团簇态”，进一步还发现了温度诱导的斯格明子“团簇态”之间特殊的动力学转变过程（图2）。这一发现扩展了人们过去对禁闭几何中斯格明子动力学的理解，为斯格明子器件的设计与制备提供了指南。相关结果以Direct imaging of magnetic field-driven transitions ofskyrmion cluster states in FeGe nanodisks 为题发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。

上述研究成果得到了国家自然科学基金、中国科学院青年促进会等项目的资助。该工作合作单位包括中科院上海微系统与信息技术研究所及南京大学协同创新中心。

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图1：制备的M2Mo3N样品以及观测到的磁斯格明子态

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图2：利用洛伦茨透射电子显微镜直接观测到的纳米盘中斯格明子“团簇态”的特殊动力学过程

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