周期性应变调控斯格明子在纳米条带中的运动

斯格明子是一种拓扑稳定的手性自旋结构,凭借其在磁性赛道存储器和自旋电子器件方面的巨大应用潜力而受到研究人员的广泛关注.为了使斯格明子能够更好地应用于磁性赛道存储器,研究斯格明子在纳米条带中的运动行为就变得非常重要.本文主要研究了存在周期性应变的纳米条带中铁磁斯格明子和反铁磁斯格明子在电流驱动下的运动行为.研究结果表明:周期性应变使得驱动电流存在一个临界电流密度,只有当电流密度大于临界电流密度时斯格明子才能够在纳米条带中连续移动.临界电流密度随应变振幅的增加而增加,随应变周期的增加而减小.铁磁斯格明子在周期性应变的调制下会产生周期性运动,轨迹为波浪式,其横向速度受到边界的影响,而纵向速度则与应变梯度成正比.反铁磁斯格明子在周期性应变调控下运动方向不变,但其移动速度则剧烈变化.     

磁性斯格明子的多场调控研究

斯格明子(skyrmion)的概念最早是由英国的粒子物理学家Tony Skyrme提出,它被用来描述粒子的一个状态,是一种拓扑孤立子.磁性斯格明子是一种具有拓扑行为的新型磁结构,其空间尺寸为纳米量级,空间距离从纳米到微米量级可调;其存在温度涵盖从低温、室温到高温的宽温区;其材料体系不仅包括早期发现的低温区B20型中心对称破缺的铁磁体和螺旋磁有序的弱铁磁材料,也包括近期发现的室温及以上的中心对称六角结构磁性MnNiGa金属合金和磁性薄膜/多层膜体系.利用磁性斯格明子的拓扑磁结构可以实现类似于自旋阀或者磁性隧道结中的自旋转移矩效应,即外加电流可以驱动斯格明子,其临界电流密度比传统翻转磁性多层膜体系中磁矩的电流密度(一般为10~7A/cm~2)要低5个数量级,约为10~2A/cm~2,该临界值远低于硅基半导体技术中沟道电流密度的上限,在未来的磁信息技术中具有广泛的应用前景.本综述简单介绍了磁性斯格明子的发展历程,归纳总结了磁性斯格明子的材料体系,介绍了观察磁性斯格明子的实验手段,重点介绍了多场(磁场、电流、温度场)调控作用下中心对称MnNiGa合金和Pt/Co/Ta磁性多层膜体系中磁性斯格明子的产生、消失以及外场调控演变等动态行为.     

高温度稳定性磁斯格明子的材料发现及性能调控

文章报道了阻挫型磁体Fe_3Sn_2中高温度稳定性磁斯格明子材料的发现以及利用电流实现斯格明子自旋手性翻转的一系列工作。作者首先基于合金化设计的思想,解决了晶体取向生长困难和易发生包晶反应这两个关键技术难题,生长出了高质量的Fe_3Sn_2单晶样品。通过原位洛伦兹电镜观测发现,该材料体系具有室温磁性斯格明子,并具有多种拓扑形态,而且在外部磁场作用下可以相互转化。作者进一步利用聚焦离子束(FIB)技术,采用空间几何受限方法,制备出了磁斯格明子单链排列的"赛道"纳米条带样品。实验发现,该样品中斯格明子可以在室温到630 K极宽温区内保持其尺寸及间距不变,这表明该材料中斯格明子具有极高的温度稳定性。在这些研究工作基础上,作者在"赛道"纳米条带样品中进一步实现了电流驱动的斯格明子自旋手性翻转。作者这一系列关于高温度稳定性磁斯格明子材料以及相关器件的探索工作,从材料和器件两个方面推进了磁斯格明子材料的实用化。     

薄膜异质结中磁性斯格明子的相关研究

磁性斯格明子由于具有拓扑保护、尺寸小、驱动电流密度低等优异的属性,有望作为未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的信息载体.为了满足器件中信息写入和读取的基本要求,需要在室温下实现斯格明子的精确产生、操控和探测.该综述简要介绍最近我们针对上述问题取得的一系列研究进展,包括:1)证明可以通过控制磁性薄膜材料的垂直磁各向异性在室温下产生斯格明子,并进一步在基于反铁磁的薄膜异质结中发现了室温、零磁场下稳定存在的斯格明子;2)证明能够利用电流产生的自旋轨道力矩操控斯格明子,并进一步制备出一种基于斯格明子的原理型器件,实现了利用电学方式产生和操控数量可控的斯格明子.     

反钙钛矿结构GaCMn_3纳米晶的磁热效应和临界行为研究

我们通过高能球磨的方法,制备出平均晶粒尺寸为45纳米(nm)的GaCMn_3纳米晶样品,并研究了其磁热和铁磁-顺磁相变的临界行为.在磁场变化2T时,相比于块体GaCMn_3,虽然纳米晶GaCMn_3的磁熵变(-ΔSM)减小了,但是其相对磁制冷能力(RCP)却增强了.通过Kouvel-Fisher方法,我们确定了GaCMn_3纳米晶铁磁-顺磁相变的临界指数β=0.463和γ=1.161,根据Widom标度理论,得出第三个临界指数δ=3.51.这些临界指数和平均场模型的临界指数(β=0.5,γ=1.0,andδ=3.0)很接近,表明GaCMn_3纳米晶中的铁磁耦合是长程的.     

磁畴壁拓扑结构研究进展

拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势,有望提高数据读写精度、降低功耗,从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件,为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持.但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点,严重阻碍了其在实际器件中的应用,因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键.本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来,利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作.首次在范德瓦耳斯Fe_5–xGeTe₂二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链,研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为,揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制.在该机制指导下,设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜,不仅获得了磁畴壁麦纫,验证了生成机制的普适性,还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变,开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展...     

纳米结构中磁斯格明子的原位电子全息研究

斯格明子(skyrmion)磁序结构与晶体微观结构的关联是新型功能磁材料和器件研发的重要问题.本文利用微纳加工技术制备了形状、尺寸均可控的磁纳米结构,通过电子全息术观察定量地分析了斯格明子磁序结构,确定了材料晶格缺陷和空间受限效应对斯格明子磁结构形成和稳定机制的影响,系统地分析了斯格明子基元的磁功能与材料微结构的关联.文中主要探讨了两个问题:1)斯格明子在磁纳米结构中的空间受限效应.重点研究斯格明子磁序随外磁场和温度变化的演变规律,探索其演变过程的拓扑属性和稳定性;2)晶格缺陷对斯格明子磁结构的影响,重点考察晶界原子结构手性反转对斯格明子磁序的影响.这些研究结果可为研发以磁斯格明子为基元的磁信息存储器及自旋电子学器件提供重要实验基础.     

磁性斯格明子晶格的磁弹现象与机理

近年来,人们在一些具有手性相互作用的磁性体材料及薄膜中成功观测到具有非平凡拓扑性质的二维自旋结构,称作磁性斯格明子.在大部分情况下,磁性斯格明子自发地聚集成一种晶格结构,称作斯格明子晶格.孤立的斯格明子由于其奇特的拓扑性质以及优异的电流驱动性质等"局域化特征"受到人们的广泛关注.与此相对,斯格明子晶格作为一种新颖的宏观磁性相,可能与材料固有的多场耦合性质发生相互作用进而引发许多奇特的宏观物理现象乃至新性质.在此范畴内,人们发现由于手征磁体内禀的磁弹耦合,斯格明子晶格不但对材料的力学性质产生影响,而且在外力作用下自身具备"层展的弹性性质".本文对相关现象进行梳理,并基于一种针对B20族手征磁体磁弹耦合效应普遍适用的热力学唯象模型,逐一简述对于不同类型的磁弹现象如何建模分析,进而给出其中一部分现象的实验与理论结果比对.最后,对这一领域的发展提出几个可供进一步探索的方向.     

磁畴壁手性和磁斯格明子的拓扑性表征及其调控

磁性斯格明子由于拓扑的保护性,具有很高的稳定性和较小的临界驱动电流,有望应用于未来的赛道存储器件中.而在中心对称体系,由于偶极作用的各向同性,磁泡的拓扑性和螺旋度都呈现出多样性的特征.其中非平庸的磁泡即等同于磁性斯格明子.我们通过近期实验结果,结合微磁学模拟的方法,发现在中心对称体系中磁斯格明子的拓扑性会受到体系垂直各向异性的调控.另外在加磁场的演变过程中,会很大程度上依赖于基态畴的畴壁特性.磁场的倾斜或者一定的面内各向异性也会改变磁斯格明子的形态.通过对材料的基态磁结构及磁各向异性的调节,辅助以面内分量的控制,可以对基态磁畴、进而对磁斯格明子的拓扑性实现调控.这对磁斯格明子在电流驱动存储器件中的应用具有重要意义.     

非平衡相变的临界标度理论及普适性

综述了作者近年来在非平衡相变临界（ Ｎ Ｐ Ｃ） 标度理论及普适性研究的进展。主要包括一般 Ｎ Ｐ Ｃ 系统规格化模型,局域序参量的概率分布,广义势的临界渐近形式,空时有关函数及其临界奇异行为。论证了 Ｎ Ｐ Ｃ 系统的临界可标度性,导出了一组普适的 Ｎ Ｐ Ｃ 标度关系,由之计算出的４ 种 Ｎ Ｐ Ｃ 普适类的临界指数与目前已知的实验及理论结果吻合得非常好。此外,还讨论了非平衡相变临界标度理论的普适性,将平衡相变临界标度理论作为一种特殊极限情况含于同一理论体系中。     

YTi(Fe1-xCox)11的磁性和穆斯堡尔谱的研究

YTi(Fe_1-xCo_x)₁₁在012型四方结构,居里温度随Co含量的增加而提高,本文为了揭示YTi(Fe_1-xCo_x)₁₁磁性与微观结构的联系,对这一系列化合物进行穆斯堡尔谱研究,在室温下,测量YTi(Fe_1-xCo_x)₁₁(其中x=0.0,0.2,0.4)的穆斯堡尔谱,最佳拟合结果证实在这种化合物中,Co原子优先占据j和f晶位,在所测样品中,超精细场在x=0.2处出现极值,这与YTi(Fe_1-xCo_x)₁₁饱和磁化强度测量结果相符合。并对YTi(Fe_1-xCo_x)₁₁,Y₂(Fe_1-xCo_x)₁₄和YTi(Fe_1-xCo_x)₁₁的穆斯堡尔谱的实验结果进行比较,分析在YTiFe₁₁中与Y₂Fe₁₄B中的3d电子能带结构的差异。 关键词：     

a—Fe—(Co,Cr)—Zr系列合金的穆斯堡尔谱研究

本文研究了a-Fe_90-xCo_xZr₁₀(x=4,10,20,…,70)和Fe_90-yCr_yZr₁₀(y=0,4,7,16,20)系列合金的M?ssbaner谱。实验结果表明a-Fe_90-yCo_yZr₁₀和富Fe区(x<30)的a-Fe_90-xCo_xZr_{10 关键词：}     

Co掺杂对Mn$lt;sub$gt;3$lt;/sub$gt;Sn$lt;sub$gt;1-$lt;em$gt;x$lt;/em$gt;$lt;/sub$gt;Co$lt;sub$gt;$lt;em$gt;x$lt;/em$gt;$lt;/sub$gt;C$lt;sub$gt;1.1$lt;/sub$gt;化合物的磁性质、熵变以及磁卡效应的影响

利用固态反应法制备了Mn₃Sn_1-xCo_xC_1.1 （x=0.05,0.1,0.2） 系列化合物,研究了Co掺杂对其磁性质、相变、熵变的影响. 随着Co掺杂量的增加,样品的居里温度由283 K先降到212 K （Mn₃Sn_0.9Co_0.1C_1.1） 后又升到332 K （Mn₃Sn_0.2Co_0.8C_1.1）,相变类型由一级相变逐渐转变为二级相变. 增大Co的掺杂量,Mn₃Sn_1-xCo_xC_1.1化合物的熵变峰值逐渐减小,磁熵变温区由9 K展宽到300 K. 当Co掺杂量为0.2时,相对制冷量达到最高,为103 J/kg （磁场强度为1.6 MA/m）. 由于室温附近良好的磁致冷效应,该类材料在磁制冷领域可能具有重要的应用前景. 关键词： 磁性质 相变 磁卡效应 相对制冷量     

a-TM-Zr合金的磁性质与invar效应

本文报道液氮温度下a-Fe_90-xCo_xZr₁₀(x=0,4,10,20)和Fe_90-yCr_yZr₁₀(y=4,7,13,16)系列合金的穆斯堡尔谱,结果表明,上述合金存在两种不同的磁状态,它们的超精细参数随3d过渡金属的平均外层电子数α的变化曲线在α=8附近存在异常现象,这体现了低Co,Cr的a-Fe-(Co,Cr)-Zr合金的invar效应,约化超精细场随约化温度的变化结 关键词：     

宽温域跨室温磁斯格明子材料的发现及器件研究

报道了阻挫型磁体Fe_3Sn_2单晶中宽温域跨室温磁斯格明子的发现及其"赛道型"微纳器件的初步探索.通过合金化设计和实验,突破晶体取向生长和克服包晶反应两个关键技术难关,制备出了高质量的Fe_3Sn_2单晶.原位洛伦兹电子显微镜结果表明,在该材料体系中,磁斯格明子具有多种拓扑结构,并可以在一定磁场下相互转化.基于高质量的Fe_3Sn_2单晶,利用聚焦离子束技术,进一步制备出了600 nm宽并具有磁斯格明子单链排列的"赛道性"微纳器件.实验结果表明,该单链磁斯格明子具有极高的温度稳定性:单个磁斯格明子的尺寸以及相邻两个磁斯格明子之间的距离可以在室温到630 K宽温区内保持不变.宽温域跨室温磁斯格明子材料Fe_3Sn_2的发现及单链"赛道型"微纳器件的成功制备,从材料和器件两个方面推进了磁斯格明子材料的实用化.     

Vortex phases and dynamics in high-temperature and conventional amorphous superconductors

The vortex phases and dynamics of high-temperature and conventional amorphous superconductors are investigated over a broad frequency range. A second-order vortex-solid melting transition in both YBa₂Cu₃O₇ single crystals with random point defects and amorphous Mo₃Si films is manifested by a set of universal critical exponents (ν≈2/3 and z≈3) from both ac and dc transport as well as ac magnetic susceptibility measurements. In contrast, the melting transition in YBa₂Cu₃O₇ single crystals with correlated columnar defects is found to be consistent with a Bose-glass phase transition characterized by a different set of critical exponents (ν≈1/2 and z′≈4).     

Co含量对Fe3Si合金磁学性能的影响

采用基于密度泛函理论（DFT）的赝势平面波法,对过渡金属Co掺杂Fe₃Si进行几何结构优化,计算Co含量对Fe₃Si合金磁学性质的影响.研究表明：Fe_3-xCo_xSi的磁性主要来源于过渡金属元素Fe和Co,并且相对于A、C位的Fe和Co原子,B位Fe的原子磁矩较大;在0≤x≤0.75范围内,随着Co含量的增大,Fe_3-xCo_xSi的总磁矩缓慢减小,在0.75≤x≤1.5时,其总磁矩迅速地增大;A、C位Fe原子的磁矩和合金总磁矩的变化趋势相同,Co原子的磁矩随着Co含量的增大缓慢地增大,原子的磁矩变化与自旋向上和向下方向的电荷转移有关.     

Magnetic phase transition in (Fe,Mn)65Ni35 alloys

Magnetization measurements on the Fe₆₀Mn₅Ni₃₅ and Fe₅₀Mn₁₅Ni₃₅ alloy samples were carried out in the temperature range 80T300 K and in magnetic fields up to 8 kOe. The Fe₆₀Mn₅Ni₃₅ was found to order ferromagnetically with a Curie temperature, T_c, above 300 K. From the temperature dependence of the spontaneous magnetization, M_s, it was concluded that the magnetic behavior of Fe₆₀Mn₅Ni₃₅ follows Wohlfarth theory of weak itinerant ferromagnet. The Fe₅₀Mn₁₅Ni₃₅ sample exhibits a magnetic phase transition from ferromagnetism to paramagnetism at T_c=242 K. The critical amplitudes and critical exponents (β, γ and δ) have been determined by using Arrott plots, Kouvel–Fisher method and scaling plots of the reduced magnetization and reduced magnetic field. The values of β, γ and δ are discussed and compared with the results obtained for various theoretical models and also with the experimentally determined values for related systems obtained by others.     

Low temperature magnetic and magnetostrictive properties in Pr(Fe_(1-x)Co_x)_(1.9) cubic Laves alloys

The structures,spin reorientations,magnetic,and magnetostrictive properties of the polycrystalline Pr(Fe_(1-x)Co_x)_(1.9)(x=0–1.0)cubic laves phase alloys between 5 K and 300 K are investigated.Large low-field magnetostrictions are observed at 5 K in the alloys with x=0.2 and 0.4 due to the low magnetic anisotropies of these two alloys.A large negative magnetostriction of about-1130 ppm is found in PrCo_(1.9) alloy at 5 K.The magnetizations of the alloys with 0≤x≤0.6decrease abnormally at the spin reorientation temperature T_(sr),and an abnormity is detected in the alloy with x=1.0 at its Curie temperature T_c(45 K).The substitution of Fe by Co increases the value of T_(sr) in the alloy with x value increasing from 0.0 to 0.4,and then reduces the value of Tsr with x value further increasing to 0.6.