合肥研究院磁斯格明子研究取得进展

  近日,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心磁性功能材料与器件研究团队,利用洛伦兹透射电子显微镜研究Kagome晶体Fe3Sn2中的磁结构,澄清该类材料中的复杂多拓扑态的起源,相关研究成果以Two-dimensional characterization of three-dimensional nanostructures of magnetic bubbles in Fe3Sn2为题,发表在《国家科学评论》(National Science Review)上。以此为基础,科研团队进一步在Fe3Sn2纳米盘中观测到一类新型零磁场和室温下稳定的磁涡旋结构,命名为“靶态磁泡”,该研究成果以Target Bubbles in Fe3Sn2 Nanodisks at Zero Magnetic Field为题,发表在《美国化学学会纳米》(ACS Nano)。

  磁泡是一类“古老”的柱状磁畴结构,但是第一类磁泡具有与斯格明子相同的非平庸拓扑性,被命名为“磁泡斯格明子”,在未来自旋电子学器件领域具有潜在的应用价值,因而重新获得科学家的研究兴趣。Fe3Sn2是我国科学家率先发现的一类Kagome晶体磁泡材料,在其中观察到高温稳定的磁泡斯格明子(Hou et al., Advanced Materials 2017, 071144),此外,研究还发现多种复杂磁结构,如“多环磁涡旋”“弧形磁涡旋”等,类似的“多拓扑性”复杂磁结构也在其他多个磁泡斯格明子材料中观察到。然而,这些复杂磁结构不能用传统磁泡理论来解释,成为磁泡斯格明子研究领域的难题,限制磁泡斯格明子的进一步研究。

  研究团队分析传统磁结构解析技术的缺陷,利用洛仑兹透射电镜的差分相位分析技术获得这些复杂磁结构真实的特征。考虑到Fe3Sn2相对弱的单轴磁晶各向异性,磁泡的三维结构会因为偶极-偶极相互作用导致厚度方向调制的自旋扭转,研究进一步模拟该三维磁泡沿厚度方向的积分磁化分布,发现其与DPC-STEM获得的磁结构高度一致,从而解释这些复杂磁结构起源于磁结构三维特性(图1)。以此为基础,研究进一步制备Fe3Sn2纳米盘,通过零磁场加热方式,实现从传统软磁磁涡旋到一类新型环状磁涡旋结构的转变,该环状磁涡旋结构类似于箭靶而命名为“靶态磁泡”。靶态磁泡的环数可以利用纳米盘的直径来有效调节(图2),室温和零磁场下稳定存在,且具有多重简并态,是器件的理想信息载体。靶态磁泡研究工作被ACS Nano选为亮点(Highlighted)工作,并在同期In Nano栏目中作重点介绍(https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07484)。

  研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院仪器研制项目、中科院重点部署项目等的资助。

  论文链接:12 

图1.磁泡斯格明子的三维结构

图2.不同直径纳米盘中的靶态磁泡结构

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