進展｜磁疇壁拓撲結構在實驗上的發現與調控

中科院物理所

優質科學領域創作者

兼具溫度、電流、磁場等多物理場協同調控的高分辨洛倫茲透射電鏡在實空間探索納米尺度新型磁疇結構、原位揭示與磁性相關的新奇物理現象微觀機制以及自旋原理性器件應用方面發揮著越來越重要的作用。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學實驗室張穎研究團隊在沈保根院士總體組織下，近幾年利用高分辨磁疇多物理場調控、電輸運測量於一體的高分辨率磁疇動力學研究平台，以及自主發展的原位調控拓撲磁疇新方法，從微觀角度重點研究了納米尺度磁性斯格明子、磁渦旋、磁泡等多種非線性磁疇結構生成與調控，揭示了非線性拓撲磁疇結構的形成規律和物理機制，在多個材料體系中實現了零磁場下、寬溫區內可作為非易失磁性存儲單元的高密度拓撲磁疇結構，促進了新型拓撲自旋電子器件的應用以及新物態、新功能、新材料的發現。

圖1. 二維範德華鐵磁材料 FeGeTe中，溫度降低時原位實空間觀察新型拓撲磁激發態--疇壁麥紉鏈由180°磁疇壁演變過程。

除拓撲磁疇本身的演變，在磁疇壁探索拓撲結構方面也取得了進展，眾所周知，磁疇壁普遍存在於磁性材料中，是兩個磁疇之間具有不同方向磁矩的過渡界面，根據自旋的旋轉過渡方式可分為Bloch型和Néel型。盡管有理論研究表明磁疇壁斯格明子存在的可能性，但因疇壁尺寸較窄而鮮有磁疇壁進一步演變成拓撲磁性物態的實驗報道。研究團隊與多方合作首次在二維範德華鐵磁材料 FeGeTe中觀察到了一種由180°磁疇壁演變形成的新型拓撲磁激發態--疇壁麥紉鏈（圖1）（. 2020, 32
, 202005228）。揭示了該拓撲激發態是由溫度降低磁各向異性方向到面轉變時的自旋重取向誘發，同時受到磁疇壁的限制以及方向弱範德華力共同作用而形成。實驗上疇壁上麥紉態的實空間解析、拓撲霍爾電阻峰值的變化及其在外加磁場和電壓作用下的整體運動行為，證實了新型疇壁拓撲態的存在。

圖2. 總結磁疇壁拓撲結構形成機制，設計制備非晶GdFeCo薄膜樣品，原位實驗觀察到磁疇壁麥紉與磁疇壁斯格明子之間的演變。

近期，張穎研究員與沈保根院士帶領博士生李卓霖和蘇鑒與美國阿拉莫斯國家實驗室林士增研究員緊密合作，在總結磁疇壁拓撲結構形成機制的基礎上，設計制備了GdFeCo非晶亞鐵磁薄膜，不僅再現了疇壁麥紉態的生成，還進一步實現了疇壁麥紉與疇壁斯格明子之間的拓撲磁疇結構的演變（圖2）。利用實驗上自旋重取向引起的磁性參數變化進行微磁學模擬揭示了磁疇壁拓撲結構演變的微觀機制（圖3），研究了磁疇壁拓撲結構在外加電流作用下的動力學行為，為進一步探索新型拓撲磁疇結構及其應用提供了一個全新的平台。

圖3. 根據自旋重取向磁性參數的變化進行微磁學模擬揭示了磁疇壁拓撲磁疇結構演變的微觀機制。

相關結果發表在《自然·通訊》上（Field-free topological behavior in the magnetic domain wall of ferrimagnetic GdFeCo），研究工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）以及中科院青促會的支持。

文章：

Spontaneous (Anti)meron Chains in the Domain Walls of van der Waals Ferromagnetic Fe5-xGeTe2

Field-free topological behavior in the magnetic domain wall of ferrimagnetic GdFeCo

編輯：Paarthurnax