【儀表儀表網(wǎng) 儀表上游】納米尺度非線性拓?fù)浯判晕飸B(tài)如磁性斯格明子(Skyrmion)、反斯格明子(Antiskyrmion)、磁性渦旋(Vortex)、反渦旋(Antivortex)以及磁泡(Bubble)等，特別是斯格明子(Skyrmion)態(tài)，由于其拓?fù)浔Ｗo(hù)穩(wěn)定性、納米小尺寸、磁場(chǎng)、溫度和電場(chǎng)等多通道調(diào)控等特性而引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，有望作為下一代高密度磁存儲(chǔ)器件的信息單元載體。這些拓?fù)浯判晕飸B(tài)的產(chǎn)生和調(diào)控與許多物理現(xiàn)象密切關(guān)聯(lián)，例如：Aharonov-Bohm效應(yīng)、Berry相效應(yīng)、 拓?fù)浠魻栃?yīng)、自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)、自旋-軌道耦合效應(yīng)等。所以，從微觀角度深入研究拓?fù)湮飸B(tài)與磁性、電磁性能的關(guān)系，不但可以深入理解磁性物態(tài)對(duì)材料物理性能的貢獻(xiàn)，還可以通過(guò)調(diào)控材料的物態(tài)促進(jìn)其應(yīng)用。
 

　　
在非晶CeFeB材料中，利用洛倫茲透射電鏡研究磁渦旋和反渦旋在外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)的演變

 

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)磁學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室M07研究組副研究員張穎多年致力于透射電子顯微鏡研究微觀結(jié)構(gòu)與新奇物性的關(guān)聯(lián)，并于近期利用洛倫茲透射電子顯微鏡研究磁疇結(jié)構(gòu)高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，分別在偶極相互作用的塊體材料和界面DMI相互作用的多層膜兩大體系中，系統(tǒng)研究了磁性斯格明子(Skyrmion)的生成及調(diào)控，對(duì)非晶材料磁渦旋結(jié)構(gòu)(Vortex) 進(jìn)行了外場(chǎng)調(diào)控，取得系列成果。
 

　　張穎與物理所M05組研究員王文洪等人合作，在具有中心對(duì)稱六角合金MnNiGa中，利用Lorentz透射電鏡直接觀察到寬溫區(qū)雙渦旋磁性斯格明子(biskyrmion)，并對(duì)磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析。在前期工作基礎(chǔ)上，針對(duì)該體系中雙斯格明子密度不高，且撤掉磁場(chǎng)雙斯格明子即會(huì)湮滅的不足，張穎和博士研究生彭麗聰?shù)龋谏鲜隽荕nNiGa合金中分別利用洛倫茲透射電鏡的樣品桿施加電流、改變溫度等原位調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了寬溫區(qū)、零場(chǎng)穩(wěn)定的高密度雙斯格明子，并與相關(guān)研究者合作，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象給出了合理的解釋。該工作克服了斯格明子的強(qiáng)磁場(chǎng)、低溫窄溫區(qū)的保存條件以及低密度的不足，使其有望在非易失性磁存儲(chǔ)器件得到應(yīng)用，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在npj Quantum Materials和Nano Letters上。
 

　　在界面對(duì)稱性破缺的多層膜體系中，磁性斯格明子可以在室溫附近穩(wěn)定存在，并能實(shí)現(xiàn)低電流驅(qū)動(dòng)，其參數(shù)易調(diào)、與器件的良好兼容性以及電流調(diào)控行為的優(yōu)勢(shì)使其更有利于實(shí)際應(yīng)用。目前主要集中在具有垂直磁各向異性的多層膜材料體系中，但在這種垂直磁各向異性多層膜中，外加磁場(chǎng)生成的磁性斯格明子密度一般較低且需要外場(chǎng)維持。M07組利用磁控濺射生長(zhǎng)了系列Pt/Co/Ta多層膜體系，張穎和博士生何敏等分析了斯格明子的生成規(guī)律，得到了尺寸50納米以下的斯格明子，并通過(guò)洛倫茲透射電鏡施加原位電流調(diào)控實(shí)現(xiàn)了斯格明子密度可控，在佳條件下得到了高密度的零場(chǎng)下穩(wěn)定存在的斯格明子。相關(guān)成果申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明，部分研究成果發(fā)表在Applied Physics Letters上。
 

　　張穎和博士研究生左淑蘭等在含有高豐度稀土Ce元素的CeFeB非晶合金中發(fā)現(xiàn)了Vortex磁疇結(jié)構(gòu)，對(duì)非線性磁渦旋vortex-antivortex的磁疇結(jié)構(gòu)的生成以及在外加磁場(chǎng)，電場(chǎng)，溫度場(chǎng)的作用下的演變做了系統(tǒng)研究。Vortex結(jié)構(gòu)作為一種拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用，之前在非晶坡鏌合金中研究較多。在CeFeB合金中vortex的生成以及調(diào)控研究拓展了高豐度稀土元素的新應(yīng)用，相關(guān)研究成果發(fā)表在Acta Materialia上。
 

　　該系列工作在與諸多國(guó)內(nèi)外研究者的合作下完成，并得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研究與發(fā)展項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)協(xié)會(huì)項(xiàng)目等的資助。
 

　　(原標(biāo)題：物理所納米尺度非線性拓?fù)浯判孕挛飸B(tài)及外場(chǎng)調(diào)控研究獲進(jìn)展)