强磁场科学中心实现可逆电流调控拓扑磁转变

近日，中科院合肥研究院强磁场中心在电操控新型磁结构动力学研究中取得新进展，相关论文以“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期刊上。

 作为数学的一个重要分支，拓扑学主要研究拓扑空间在连续形变下的拓扑不变性。拓扑磁性是研究磁性材料中自旋的整体排列在空间具有某些不变性的学科，一般用磁性拓扑荷来描述（Topological Charge），其表征一个磁矩分布状态映射到一个序参量空间（通常为一个布洛赫球）时，其环绕序参量空间的次数。具有不同拓扑荷的磁结构不可以通过磁矩连续转换实现相互转换，因此具有拓扑保护特性。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，因此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的设计。在前期研究中，强磁场科学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了单磁斯格明子-磁泡链（Y. Wu et al. Appl. Phys. Lett. 118: 122406, 2021）；通过调节面内磁场，他们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以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。

 面对以上挑战，团队利用聚焦离子束技术制备了Fe3Sn2纳米条带电学微器件，利用先期自主开发的透射电镜原位加电测量系统，研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以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，有望推动未来可靠、低能耗和高效率的拓扑自旋电子学器件的开发（图2）。

 强磁场科学中心韦文森博士为本论文第一作者，汤进副研究员、杜海峰研究员为共同通讯作者。其他合作者包括强磁场科学中心熊奕敏研究员及其团队成员王宜豪博士和李俊波博士生（高质量单晶生长）以及瑞士保罗谢勒研究所Yona Soh博士。本研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院仪器研制项目和青年创新促进会等基金的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101610