研究实现可逆电流调控拓扑磁转变

　　近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心在电操控新型磁结构动力学研究中取得新进展，相关研究成果以Current-Controlled Topological Magnetic Transformations in a Nanostructured Kagome Magnet（《在Kagome磁纳米结构中实现可逆电流调控拓扑磁转变》）为题，发表在Advanced Materials上。

　　在一类中心对称晶体Fe3Sn2纳米结构中，存在两类局域磁结构：拓扑荷为1的斯格明子磁泡（简称“斯格明子”）和拓扑荷为0的平庸磁泡。由于磁斯格明子与磁泡的拓扑荷不同，因而它们在电流驱动下的动力学如斯格明子霍尔效应和电探测下的拓扑霍尔效应完全不同。如果它们同时作为器件的信息载体，有望丰富拓扑磁电子学器件设计。前期研究中，强磁场中心新型磁性功能材料与器件研究团队提出了一种新型斯格明子-磁泡存储器方案，并在纳米条带中实现单磁斯格明子-磁泡链（Y. Wu et al., Appl. Phys. Lett., 118: 122406, 2021）；通过调节面内磁场，研究实现了纳米盘中单斯格明子-磁泡之间的拓扑磁转变（Y. Wu et al., Appl. Phys. Lett., 119: 012402, 2021）。两类磁状态间的拓扑磁转变可用于器件的写入和删除等功能，但磁场方法不兼容于电子学器件，还需要进一步开发电学方法操控拓扑磁转变。

　　面对上述挑战，科研团队利用聚焦离子束技术制备出Fe3Sn2纳米条带电学微器件，运用先期自主开发的透射电镜原位加电测量系统，探究了纳秒脉冲电流驱动下的原位实时磁动力学行为。研究发现，在一定倾斜磁场条件下，磁斯格明子和磁泡均为稳定磁相，通过切换纳秒脉冲电流的幅度，磁斯格明子晶格和平庸的磁泡晶格之间可实现高度可逆的拓扑磁转变（图1）。微磁学计算模拟表明，磁泡到斯格明子转变和斯格明子到磁泡转变可分别归因于电流的自旋转移力矩效应和焦耳热效应。

　　高度可重复且可逆的斯格明子-磁泡和斯格明子-条纹畴的拓扑磁转变，将有望推动可靠、低能耗和高效率的拓扑自旋电子学器件的开发工作（图2）。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和中科院青年创新促进会等的支持。

　　图1.高低纳秒电流脉冲切换实现的可逆斯格明子-磁泡拓扑磁转变

　　图2.基于磁斯格明子-磁泡的拓扑自旋电子学器件