合肥研究院實現單個斯格明子的電探測

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心田明亮課題組在斯格明子（Skyrmions，以下簡稱S）材料研究中取得新進展：該課題組在國際上首次利用傳統電學方法探測到單個斯格明子的產生與湮滅過程。7月6日，課題組杜海峰的論文以《螺旋磁體MnSi納米線中磁場驅動的Skyrmion團簇態的量子轉變的電探測》（Electrical Probing of Field-Driven Cascading Quantized Transitions of Skyrmion Cluster States in MnSi Nanowires）為題發表在國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。

　　斯格明子是一種具有特殊結構的粒子。在普通粒子中，原子所帶電荷都集中在一側，但在斯格明子中，電荷以渦旋狀穩定排列。電荷可被移動重組，但渦旋結構不會改變。科研人員相信，利用斯格明子獨特的渦旋結構，可以實現數據存儲的微型化。

　　除此外，斯格明子還具有能耗超小的特點：在非中心對稱B20立方結構的螺旋磁性材料中，斯格明子是具有軸對稱的拓撲穩定的新型自旋構型，可以非常有效地和S相耦合產生拓撲霍爾效應，更重要的是，還會產生電子大的電子自旋轉移矩效應。這意味著材料中的S晶格發生旋轉所需要的電流密度值（～106A/m2）約是常規的磁性金屬或半導體中實現磁化反轉或磁疇運動所需臨界電流密度的十萬分之一。

　　可以想象，由包含S相磁性材料制成的自旋電子學器件將具有非常小的能耗，在未來低能耗自旋器件的應用中具有極大潛力。想要實現這一點，首先需要對單個斯格明子產生與湮滅過程進行電探測。然而這并非易事：對于大塊材料，S 晶格中單個斯格明子的產生和湮滅在能量上區別很小。

　　田明亮課題組通過前期的理論模擬研究，認為當材料的尺寸與單個斯格明子的大小可比擬時，斯格明子的基態與其團簇中的數目和構型有關，在能量上差異較大。這為實現單個斯格明子的探測提供了理論基礎，但由于材料制備與測試的困難，國際上一直沒有實現。為此，田明亮研究小組與美國霍普金斯大學臧佳棟以及威斯康星大學麥迪遜分校教授金松在材料的制備以及理論模擬方面進行了有效合作研究。團隊以一維MnSi納米線為研究對象，在國際上首次確定了在一維納米體系中存在高度穩定的斯格明子態。隨后進一步減小納米線的尺寸，當納米線的尺寸和單個斯格明子的大小相當時，在磁阻曲線上觀察到系列不連續的臺階。理論計算表明，這些不連續跳變嚴格對應單個斯格明子的產生以及湮滅過程。

　　此項工作對了解納米尺度下S相特性及未來制備微、納S基自旋電子學器件有著重要的指導意義。該研究工作受到國家自然科學基金、中國科學院青年促進會等經費資助。

　　文章鏈接

單個Skyrmions的產生或者湮滅對應磁阻的跳躍：(a) 高質量單晶MnSi納米線的掃描電子顯微鏡形貌圖；(b) 單根納米線的磁電阻以及相應的磁結構。