研究實現可逆電流調控拓撲磁轉變

發布時間：2021-08-19 17:20 原文鏈接：研究實現可逆電流調控拓撲磁轉變

　　近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心在電操控新型磁結構動力學研究中取得新進展，相關研究成果以Current-Controlled Topological Magnetic Transformations in a Nanostructured Kagome Magnet（《在Kagome磁納米結構中實現可逆電流調控拓撲磁轉變》）為題，發表在Advanced Materials上。

　　在一類中心對稱晶體Fe3Sn2納米結構中，存在兩類局域磁結構：拓撲荷為1的斯格明子磁泡（簡稱“斯格明子”）和拓撲荷為0的平庸磁泡。由于磁斯格明子與磁泡的拓撲荷不同，因而它們在電流驅動下的動力學如斯格明子霍爾效應和電探測下的拓撲霍爾效應完全不同。如果它們同時作為器件的信息載體，有望豐富拓撲磁電子學器件設計。前期研究中，強磁場中心新型磁性功能材料與器件研究團隊提出了一種新型斯格明子-磁泡存儲器方案，并在納米條帶中實現單磁斯格明子-磁泡鏈（Y. Wu et al., Appl. Phys. Lett., 118: 122406, 2021）；通過調節面內磁場，研究實現了納米盤中單斯格明子-磁泡之間的拓撲磁轉變（Y. Wu et al., Appl. Phys. Lett., 119: 012402, 2021）。兩類磁狀態間的拓撲磁轉變可用于器件的寫入和刪除等功能，但磁場方法不兼容于電子學器件，還需要進一步開發電學方法操控拓撲磁轉變。

　　面對上述挑戰，科研團隊利用聚焦離子束技術制備出Fe3Sn2納米條帶電學微器件，運用先期自主開發的透射電鏡原位加電測量系統，探究了納秒脈沖電流驅動下的原位實時磁動力學行為。研究發現，在一定傾斜磁場條件下，磁斯格明子和磁泡均為穩定磁相，通過切換納秒脈沖電流的幅度，磁斯格明子晶格和平庸的磁泡晶格之間可實現高度可逆的拓撲磁轉變（圖1）。微磁學計算模擬表明，磁泡到斯格明子轉變和斯格明子到磁泡轉變可分別歸因于電流的自旋轉移力矩效應和焦耳熱效應。

　　高度可重復且可逆的斯格明子-磁泡和斯格明子-條紋疇的拓撲磁轉變，將有望推動可靠、低能耗和高效率的拓撲自旋電子學器件的開發工作（圖2）。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、中科院儀器研制項目和中科院青年創新促進會等的支持。