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中国科学院物理研究所 M05组供稿 第32期 2017年07月06日
北京凝聚态物理国家实验室
Kagome晶格阻挫磁体中的多拓扑态宽温区磁性斯格明子
  磁性斯格明子(Magnetic Skyrmion)是一种具有手性自旋的纳米磁畴结构单元。由于它具有拓扑保护性、低驱动电流密度(比驱动传统畴壁低5~6个数量级),以及磁场、温度和电场等多物理作用调控的特性,磁性斯格明子被认为是未来高密度、高速度、低能耗信息存储器件的核心材料。然而,目前大部分磁性斯格明子材料体系居里温度偏低和稳定存在温区窄,成为材料实际应用的瓶颈。开发宽温区跨室温磁性斯格明子新材料是目前磁电子学领域的研究热点,也是推进磁性斯格明子实用化的关键。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室M05研究组长期致力于金属间化合物磁-结构相变及新型磁性功能材料的开发和物性研究,先后获得了多种磁相变材料体系。提出了磁性-化学键竞争影响物质结构的想法,利用化学键调控结构稳定性这一思路,通过抑制六角合金MnNiGe的结构相变,将结构失稳引导为磁结构不稳定,首次在具有中心对称晶体结构六角合金MnNiGa中观察到了宽温区跨室温双涡旋磁性斯格明子[Advanced Materials 28, 6887 (2016);(中国发明专利,申请号201610308496)]。他们通过变温中子衍射实验,证实了六角合金MnNiGa在居里温度以下的宽温度区间内具有非共线螺旋磁结构的特点,这被认为是宽温区磁性斯格明子稳定存在的内在原因。这一结果对新型磁性斯格明子材料探索具有重要指导意义。
  最近,该课题组王文洪研究员、刘恩克副研究员及博士后侯志鹏、研究生丁贝等,在上述六角合金MnNiGa磁性斯格明子研究工作基础上,在宽温区磁性斯格明子新材料探索方面再次取得重要进展。他们在Kagome晶格阻挫磁性金属间化合物Fe3Sn2中,首次获得目前具有最高居里温度(~640K)及最宽温度区域(120K~640K)稳定存在的多拓扑态磁性斯格明子。
  如图 1(a) 所示,Fe3Sn2是由双层Fe-Sn原子层和Sn原子层交替组成,其中Fe原子构成双层Kagome三角格子并具有自旋阻挫。他们精心设计实验,通过助溶剂法生长出高质量的Fe3Sn2单晶,细致的磁测量证实了该材料在居里温度640K到120K宽温域范围内存在着磁结构的不稳定性。如图1(b)所示,在居里温度以下,自旋即有序化为带有倾角的阻挫结构,其矢量和方向指向c轴。然后随着温度的降低,自旋的集体取向逐渐转到ab面内。随后通过微磁模拟,如图1(c)和(d)所示,他们发现在Fe3Sn2Ku和Ms变化范围内可以获得拓扑平庸磁泡和拓扑非平庸磁泡(磁斯格明子)结构纳米磁畴共存的状态,并且发现受拓扑保护的斯格明子具有更高的临界磁场(稳定性)。进一步,他们通过洛伦兹电镜观察到Fe3Sn2单晶样品随着垂直于ab面磁场的增加,基态条状磁畴逐渐转变成拓扑平庸磁泡和拓扑非平庸磁泡(斯格明子)纳米磁畴的过程(图2)。随着磁场的增加,那些拓扑平庸磁泡逐渐消失,受拓扑保护的磁性斯格明子具有更高临界磁场,这和微磁模拟的结果高度一致。这种多种拓扑态自旋结构是以前报导的磁性斯格明子材料所没有的特性。更为重要的是,如图3变温洛伦兹电镜观察所示,如果在室温下将样品先磁化到未饱和状态(比如图2的b状态),在磁场退回到零场后会出现基态条状磁畴和磁性斯格明子畴共存的现象(“零场稳定的磁性斯格明子”),并在此后的降温过程中斯格明子密度逐渐增加。对“零场磁性斯格明子”的自旋结构分析表明,它具有与图2的四种类型不同的结构,呈现出“同芯多环”的拓扑形式。
  本工作进一步提高了本组此前发现的MnNiGa双磁性斯格明子新材料的居里温度(从340K提高到640K),获得目前最宽温区(120K-640K)跨室温多拓扑态斯格明子材料,同时观察到不同拓扑态自旋结构斯格明子的相互转变行为(见图4)。 本工作为推动磁性斯格明子的进一步研究和实际应用,以及对自旋拓扑物态的深入研究都具有重要的意义。相关工作的核心成果已申请中国专利(申请号:201710512958.2),部分研究结果发表在近期的 Advanced Materials(DOI:10.1002/adma.2017101144)杂志上。该工作得到了国家自然科学基金委(11474343, 11574374, 11604148,51471183, 51590880, 51331006)、科技部(2017YFA0303200)和科学院先导B(XDB07010300)项目等基金的资助。参与本工作的合作者还包括:物理所张颖副研究员和沈保根院士,中科院沈阳金属所任卫军副研究员和张志东研究员,南京理工大学徐桂舟博士和徐锋教授,以及沙特国王科技大学张西祥教授等。
相关工作链接:
Observation of Various and Spontaneous Magnetic Skyrmionic Bubbles at Room-Temperature in a Frustrated Kagome Magnet with Uniaxial Magnetic Anisotropy http://dx.doi.org/10.1002/adma.201701144
图1. (a) Fe3Sn2晶体结构和自旋阻挫磁结构;(b) 实验测量得到磁各向异性常数Ku随温度变化规律;微磁模拟发现:(c) 通过调节磁晶各向异性Ku和饱和磁交换常数A的数值,获得拓扑平庸磁泡和非平庸磁泡(斯格明子)结构纳米磁畴共存的状态;(d)随外加磁场的增大,那些拓扑平庸磁泡会首先消失,而受拓扑保护的磁性斯格明子具有更高的临界磁场。
图2. Fe3Sn2单晶样品室温下的洛伦兹电镜照片:(a-d)随着垂直磁场的增加拓扑平庸磁泡(1和2)和拓扑非平庸磁泡(斯格明子3和4)磁畴的逐渐产生(数字表示不同的拓扑态类型)。随着外磁场的增大,拓扑平庸磁泡会逐渐消失,而受拓扑保护的磁性斯格明子具有更高的临界磁场,这和微磁模拟结果一致。(e-h)室温拓扑平庸磁泡(1和2)和磁性斯格明子(3和4)自旋结构。
图3. Fe3Sn2单晶样品变温的洛伦兹电镜照片:将样品进行未饱和磁化(~600mT)再回到零磁场下,观察到条状磁畴和斯格明子纳米磁畴共存,并在降温中增加密度(a-d);对应彩图显示为给定温度下零场斯格明子的“同芯多环”自旋结构(e-f)。
图4. 实时观测到拓扑同胚自旋结构斯格明子“3”和“4”之间的相互转化过程。
下载附件>> adma201701144-sup.pdf
下载附件>> M05-Advanced Materials-2017.pdf
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