张石磊课题组研究发现可复制粘贴的拓扑磁结构

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近日，上海科技大学物质学院张石磊课题组与日本理化研究所、南京大学、中科院物理所、英国钻石光源和牛津大学的合作者共同揭示了拓扑磁有序在三维方向上的耦合机制。利用该机制，联合团队进一步发明了一种高效制作拓扑磁有序的方法——拓扑拓印。使得已有的拓扑磁“印章”可通过界面耦合效应把其结构“拓印”在靶向材料表面。团队利用同步辐射X光磁性散射技术获得了直接实验证据。该成果以“Axially Bound Magnetic Skyrmions: Glueing Topological Strings Across an Interface”为题发表于知名学术期刊Nano Letters。
       涡旋结构是自然界中常见的稳定结构。例如，龙卷风或是气象涡旋是由在三维空间分布的“箭头场”组成的漩涡，这些物态之所以能够保持其构型行进数千公里而不耗散，是因为其结构上的“自我保护”机制，数学上称为拓扑属性。
         磁性材料中的磁结构也可以拆分成在三维空间分布的、由众多原子磁矩组成的微观“箭头场”。例如常见的磁铁，可将其微观磁结构想象成所有“箭头”都平行一致排列的状态。在特定条件下，磁结构可形成具有拓扑属性的涡旋结构，即“磁斯格明子”。
         磁斯格明子的拓扑性质在其微观结构层面传递出两个重要信息：其一是其结构的稳定性意味着斯格明子可以成为优秀的二进制信息载体，这对未来磁存储技术有着革命性意义。其二，这种复杂的构型引入了与其他粒子（费米子如电子，或玻色子如磁振子）相互作用的奇异势能，引发了一系列新颖的物理效应。然而，由于斯格明子苛刻的形成条件，在目前仍然很难获得功能性、定制化的斯格明子结构。如面向磁存储技术的斯格明子需要尺寸小且行进轨迹准直，而这些指标高度依赖于承载斯格明子的材料体系。因此，材料优化成为当前制作这类斯格明子的主要手段。
        为了让斯格明子的大小和空间构型脱离其承载材料，研究团队尝试从新的角度来制造可定制化的斯格明子。一种可行的办法是“拓扑拓印”，即利用已有的斯格明子作为模版印章，将靶向材料在涡旋轴方向上向“模板印章”靠近。利用界面磁性的耦合，靶向材料可被刻印上模版的构型。
         这一理念的实现需要深刻理解斯格明子在纵向的耦合机制。为此，研究团队将两套具有不同拓扑属性的斯格明子材料通过界面耦合的方式融合到一起，引入可调节的界面耦合作用，并通过基于先进光源的共振磁散射技术对耦合前后的拓扑磁结构进行了三维重构和对比。实验结果表明：当一个较小尺寸的斯格明子接近具有较大尺寸斯格明子的目标材料后，较大的斯格明子将变形并耦合到较小斯格明子“印章”上。如图1所示，两套不同尺寸的斯格明子逐渐靠近，在界面处耦合扭曲形成尺寸与螺旋角的匹配，最后完全粘连为一体。该耦合机制的探明为拓扑拓印效应提供了可行性支持。

图1. 两套具有不同尺寸的斯格明子材料的耦合粘连过程。

        研究团队将Cu2OSeO3螺旋磁体作为衬底“印章”材料，在其表面生长Ta/[CoFeB/MgO/Ta]4磁性多层膜。结果表明，磁性多层膜材料中直径为200 nm的斯格明子逐渐被调制到与螺旋磁体中直径为60 nm 的斯格明子大小一致，且双方螺旋角进行了自洽匹配，这使得磁性多层膜中原本不规则、大尺寸的斯格明子被调制到与螺旋磁体衬底中的斯格明子尺寸、晶格周期相同，犹如被“印刻”上了一般，在界面处形成了三维磁斯格明子轴向束缚态。该研究工作巧妙地利用界面耦合作用，成功地实现了对三维斯格明子弦的调控研究，为未来实现更多三维拓扑相的调控提供了一种有效的策略，也为新型自旋电子学器件的开发打下了基础。
       物质学院拓扑物理实验室助理研究员冉柯静博士和日本理化研究所刘艺舟博士为文章共同第一作者，张石磊教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。日本理化研究所、南京大学、中科院物理所、英国钻石光源和牛津大学为该工作的共同合作单位。该工作得到了上海科技大学物质学院拓扑物理实验室、光子科学与凝聚态研究部以及上海科技大学大科学中心的大力支持。该成果得到了上海市科委科技创新行动计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及上海市扬帆计划的经费支持。
       论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c00689


        文章来源：上海科技大学
        张石磊，上海科技大学助理教授。从X射线的视角探索凝聚态中的电子结构和磁结构；包括材料中的磁性起源（原子尺度），磁相互作用（微观尺度），磁有序（介观尺度），磁动力学（超快时间尺度），以及磁性与电荷，晶格的相互作用。