清华新闻网6月9日电 磁斯格明子是一种具有单位拓扑荷的非共线自旋结构，被认为是高速度、高密度、低能耗自旋存储器件中的优良信息载体，相关研究引起了凝聚态物理和数据存储领域的极大关注。其单位化的拓扑荷（Q= ±1）定义了斯格明子的准粒子和拓扑特征，使得许多新兴的磁电现象成为可能，如拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应等。在过往斯格明子拓扑物理和准粒子动力学研究中，通常将斯格明子霍尔效应和电荷霍尔效应作类比，并认为斯格明子拓扑荷和电荷之间具有相似性。作为一种典型的自旋结构，人们更期望斯格明子表现出与电子自旋相似的动力学行为。然而，相关实验研究一直未有报道。

图1.斯格明子在磁场梯度作用下的微磁学模拟。从中可以看到具有相反拓扑荷（Q= ±1），分别沿着磁场梯度方向（x）的反向运动
近日，清华大学物理系江万军副教授课题组及其合作者，受著名的斯特恩盖拉赫实验启发，研究了斯格明子在磁场梯度下的准粒子动力学，并揭示了其与原子自旋类似的物性。借助于微磁学模拟和蒂勒方程（Thiele equation），团队首先研究了磁场梯度驱动下奈尔型斯格明子的准粒子动力学行为，并证明了相反拓扑荷的斯格明子会在磁场梯度方向表现出反方向的运动。课题组进一步设计了“片上类斯特恩盖拉赫实验”。该实验中，将界面不对称的钽/钴铁硼/氧化镁多层膜与产生奥斯特场及其梯度的片上导线集成，实验研究了奈尔型斯格明子在磁场梯度下的动力学行为。利用极化磁光克尔显微镜，团队实验观察到室温斯格明子的产生，并验证了具有相反拓扑荷的斯格明子在沿着磁场梯度方向表现出相反的运动行为。该现象与原子自旋在磁场梯度下的分离现象非常类似，从而揭示了斯格明子拓扑动力学特征与自旋的相似性。该工作厘清了对斯格明子拓扑性质的认知，提出了一种高效产生和操控斯格明子的新方法，同时也能启发新兴片上斯格明子器件的开发。

图2.斯格明子的片上类斯特恩盖拉赫实验。（a）用于产生奥斯特磁场以及梯度的器件照片（经过透视变形和上色）。（b）在图1所示虚线框内，利用极化磁光克尔显微镜，采集到相反拓扑荷（±Q）斯格明子在相反奥斯特磁场梯度（±gm）下的运动轨迹。空心圆（实心圆）标记在施加单个电流脉冲（?t= 10微秒）之前（之后）斯格明子的位置。箭头的方向指示标记的斯格明子的运动方向。比例尺为5微米
6月2日，相关研究结果以“斯格明子的磁场梯度调控：一个类斯特恩盖拉赫实验”（Manipulation of Skyrmion by Magnetic Field Gradients: A Stern–Gerlach-Like Experiment）为题发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。
来自国防科技大学的访问博士生刘嘉豪和清华大学物理系博士后宋承昆为该论文的共同第一作者，物理系江万军副教授，刘嘉豪和国防科技大学方粮研究员为论文共同通讯作者。论文合作者包括清华大学物理系2018级博士生赵乐，2022级博士生赵彬晅，2021级博士生赵孟琦，博士后蔡立、冯红梅，以及香港中文大学周艳教授。
该研究得到基金委基础科学中心项目、科技部重点研发计划、北京市自然科学基金、清华大学自主科研计划（笃实专项）、北京市高精尖芯片中心（ICFC）、量子物质协同创新中心、深圳孔雀团队计划等项目的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00731
供稿：物理系
编辑：李华山
审核：郭玲
2023年06月09日 08:46:28