合肥研究院实现单个斯格明子的电探测

　　近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心田明亮课题组在斯格明子（Skyrmions，以下简称S）材料研究中取得新进展：该课题组在国际上首次利用传统电学方法探测到单个斯格明子的产生与湮灭过程。7月6日，课题组杜海峰的论文以《螺旋磁体MnSi纳米线中磁场驱动的Skyrmion团簇态的量子转变的电探测》（Electrical Probing of Field-Driven Cascading Quantized Transitions of Skyrmion Cluster States in MnSi Nanowires）为题发表在国际期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。

　　斯格明子是一种具有特殊结构的粒子。在普通粒子中，原子所带电荷都集中在一侧，但在斯格明子中，电荷以涡旋状稳定排列。电荷可被移动重组，但涡旋结构不会改变。科研人员相信，利用斯格明子独特的涡旋结构，可以实现数据存储的微型化。

　　除此外，斯格明子还具有能耗超小的特点：在非中心对称B20立方结构的螺旋磁性材料中，斯格明子是具有轴对称的拓扑稳定的新型自旋构型，可以非常有效地和S相耦合产生拓扑霍尔效应，更重要的是，还会产生电子大的电子自旋转移矩效应。这意味着材料中的S晶格发生旋转所需要的电流密度值（～106A/m2）约是常规的磁性金属或半导体中实现磁化反转或磁畴运动所需临界电流密度的十万分之一。

　　可以想象，由包含S相磁性材料制成的自旋电子学器件将具有非常小的能耗，在未来低能耗自旋器件的应用中具有极大潜力。想要实现这一点，首先需要对单个斯格明子产生与湮灭过程进行电探测。然而这并非易事：对于大块材料，S 晶格中单个斯格明子的产生和湮灭在能量上区别很小。

　　田明亮课题组通过前期的理论模拟研究，认为当材料的尺寸与单个斯格明子的大小可比拟时，斯格明子的基态与其团簇中的数目和构型有关，在能量上差异较大。这为实现单个斯格明子的探测提供了理论基础，但由于材料制备与测试的困难，国际上一直没有实现。为此，田明亮研究小组与美国霍普金斯大学臧佳栋以及威斯康星大学麦迪逊分校教授金松在材料的制备以及理论模拟方面进行了有效合作研究。团队以一维MnSi纳米线为研究对象，在国际上首次确定了在一维纳米体系中存在高度稳定的斯格明子态。随后进一步减小纳米线的尺寸，当纳米线的尺寸和单个斯格明子的大小相当时，在磁阻曲线上观察到系列不连续的台阶。理论计算表明，这些不连续跳变严格对应单个斯格明子的产生以及湮灭过程。

　　此项工作对了解纳米尺度下S相特性及未来制备微、纳S基自旋电子学器件有着重要的指导意义。该研究工作受到国家自然科学基金、中国科学院青年促进会等经费资助。

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单个Skyrmions的产生或者湮灭对应磁阻的跳跃：(a) 高质量单晶MnSi纳米线的扫描电子显微镜形貌图；(b) 单根纳米线的磁电阻以及相应的磁结构。