磁性斯格明子的研究现状和展望

磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构.斯格明子主要存在于非中心对称的手性磁性材料以及界面镜面对称性破缺的磁性薄膜材料中.因具有实空间的非平庸拓扑性,磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性,例如拓扑霍尔效应,新兴电磁动力学等,为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台.另一方面,由于其具有尺寸小,高稳定性和易操控的特性,磁性斯格明子在未来高密度,低能耗,非易失性计算和存储器件中也具有潜在应用.现阶段的研究已经初步发现一系列磁斯格明子材料,并证明能够通过电流操控室温下稳定的磁性斯格明子,但是室温下单个斯格明子的精确产生、湮灭以及探测在实验上仍具有挑战性.本文阐述了磁性斯格明子的基础理论以及动力学研究现状,并对现有的斯格明子材料和斯格明子的产生,湮灭以及探测方法进行了总结,最后还对未来磁性斯格明子的物理理论研究以及应用发展中的挑战和机遇进行了讨论.     

磁性斯格明子的应用前景

近年来,磁性斯格明子在自旋电子学这门新兴学科中成为了一个重要的研究热点,备受人们关注。它是一种受拓扑保护的稳定自旋结构,具有尺寸小、退钉扎电流密度低和易操控等特点。与传统的磁畴壁、磁泡或者磁涡旋相比,磁斯格明子更有望作为数据信息的载体应用于未来的自旋电子学设备中,不仅可以大幅度地缩减器件的尺寸、降低能耗,同时也能确保信息的非易失性。文章重点介绍了磁性斯格明子在信息技术领域中的主要应用前景,比如信息存储、逻辑运算和神经形态计算等。     

The relation between the radii and the densities of magnetic skyrmions

Compared with the traditional magnetic bubble, a skyrmion has a smaller size, and better stability and therefore is considered as a very promising candidate for future memory devices. When skyrmions are manipulated, erased and created, the density of skyrmions can be varied, however the relationship between the radii and the densities of skyrmions needs more exploration. In this paper, we study this problem both theoretically and by using the lattice simulation. The average radius of skyrmions as a function of material parameters, the strength of the external magnetic field and the density of skyrmions is obtained and verified. With this explicit function, the skyrmion radius can be easily predicted, which is helpful for the future study of skyrmion memory devices.     

薄膜异质结及二维材料中的磁斯格明子

磁斯格明子因具有拓扑稳定、移动速度快、尺寸小、驱动电流密度低等优异性质引起了人们的广泛关注。它被视作未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的理想信息载体。基于磁斯格明子的自旋电子学器件具有非易失、高读写速度、高存储密度以及低功耗的优势,从而能满足人们对高性能器件的要求。此外,拓扑性与磁性的结合使得磁斯格明子成为研究拓扑磁性物理的良好平台。文章简要介绍了磁斯格明子的发展概况及其拓扑物理性质,并着重讨论薄膜异质结及二维材料中磁斯格明子的研究进展,为今后进一步探索磁斯格明子相关研究领域抛砖引玉。     

磁斯格明子的微磁学研究进展和应用

磁斯格明子作为一种具有拓扑保护性质的准粒子受到了磁学与磁性材料领域科学家的广泛关注.本文对磁斯格明子的拓扑性质进行了概述,回顾了磁斯格明子的存在条件以及运输特性,综述了近年来利用微磁学模拟研究的磁斯格明子激发、操控、微波磁场响应以及基于磁斯格明子的器件设计,主要包括赛道存储器、自旋纳米振荡器、晶体管和逻辑门.通过本文的综述,希望为磁斯格明子在未来信息领域的应用提供参考.     

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.     

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.     

磁斯格明子拓扑特性及其动力学微磁学模拟研究进展

具有非平庸拓扑性的新型磁结构斯格明子,由于其拓扑稳定性、尺寸小、低电流驱动等方面的显著优势,有望应用于自旋电子学储存器件.拓扑和凝聚态物理学的结合,使得斯格明子展现出很多有趣的拓扑物理现象,吸引了众多的研究兴趣,同时这些性质也是其电流驱动下动力学特点的重要影响因素.本文从斯格明子的拓扑物理学基础及其自旋电子学器件应用相关动力学两个方面介绍了相关研究进展.在拓扑物理基础方面,介绍了斯格明子的拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应以及自旋轨道转矩等拓扑性质,由此讨论了斯格明子的动力学性质及其计算方法;在动力学方面,从非均匀电流驱动生成斯格明子、电流驱动下的稳定输运、产生湮灭过程的人工控制几个赛道存储应用关心的问题简要地介绍了相关微磁学模拟研究最新进展.     

在尺寸受限体系中的磁斯格明子

磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度磁涡旋结构。由于其具有尺寸小、稳定性高和可操控等粒子特性,在未来构建高密度、高速度、低能耗、非易失性磁存储器件方面具有潜在的应用价值,引起了人们的广泛关注。文章就斯格明子产生的基本原理、性质,尤其是在尺寸受限条件下的稳定性机制、实空间观察、器件应用及面临的挑战等进行简单阐述。     

Dynamics of moving and spinning skyrmions

We study the intermediate-and long-range forces between moving and spinning Skyrmions, employing two different methods. One uses a relativised product ansatz for the Skyrme fields, the other models Skyrmions as triplets of scalar dipoles. The methods lead to the same finite-dimensional Lagrangian dynamical system which may be interpreted as a point-particle approximation to Skyrmion dynamics. We discuss in detail the dynamics in the so-called attractive channel and the interaction between well-separated and rapidly spinning Skyrmions, and point out the resemblance between the latter and the one-pion exchange potential in nuclear physics.     

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Fe₃Sn₂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Fe₃Sn₂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。     

Non-volatile multi-state magnetic domain transformation in a Hall balance

High performance of the generation, stabilization and manipulation of magnetic skyrmions prompts the application of topological multilayers in spintronic devices. Skyrmions in synthetic antiferromagnets (SAF) have been considered as a promising alternative to overcome the limitations of ferromagnetic skyrmions, such as the skyrmion Hall effect and stray magnetic field. Here, by using the Lorentz transmission electron microscopy, the interconversion between the single domain, labyrinth domain and skyrmion state can be observed by the combined manipulation of electric current and magnetic field in a Hall balance (a SAF with the core structure of [Co/Pt]₄/NiO/[Co/Pt]₄ showing perpendicular magnetic anisotropy). Furthermore, high-density room temperature skyrmions can be stabilized at zero field while the external stimulus is removed and the skyrmion density is tunable. The generation and manipulation method of skyrmions in Hall balance in this study opens up a promising way to engineer SAF-skyrmion-based memory devices.     

磁性斯格明子的发现及研究现状

磁性斯格明子是一种具有拓扑保护的纳米尺度磁畴结构,其小尺寸、易被电流驱动、低能耗等优点使其成为磁信息存储和自旋电子学器件的核心候选材料,近年来备受人们关注。文章将着重介绍：(1)磁性斯格明子产生的机理;(2)探测磁性斯格明子的方法或者手段;(3)近期国际上研究的几种磁性斯格明子材料;(4)磁性斯格明子诱导产生新颖的霍尔效应——拓扑霍尔效应;(5)结论与展望。     

Zero-field skyrmions in FeGe thin films stabilized through attaching a perpendicularly magnetized single-domain Ni layer

A numerical study reports that the zero-field skyrmions in Fe Ge thin films are stabilized when a Fe Ge layer is exchange coupled to a single-domain Ni layer, which has been magnetized perpendicularly. Due to the small thickness, an easy-plane anisotropy in the Fe Ge layer is taken into account, and the skyrmion-crystal state is favored to appear for low anisotropies and intermediate Fe Ge/Ni interlayer exchange couplings, and finally transformed from a labyrinth-like and into an out-ofplane uniform state for the large couplings or into an in-plane state for the high anisotropies. Furthermore, the maximum skyrmion charge number is bigger for the periodic and fixed boundary conditions with an out-of-plane magnetization;on the contrary, the Bloch-type skyrmions can be frozen and stabilized for the larger couplings on the fixed boundary with an in-plane magnetization, similar to the experimental results of the magnetic-field-induced skyrmions. Finally, the skyrmion charge number and diameter both decrease if the nonmagnetic defects exist, and the skyrmion centers are prone to being captured by defect sites. This work evidences that the ensembles of homochiral skyrmions stabilized in the multilayers fabricated by well-established technologies present a roadmap to design new classes of the materials that can host skyrmions.     

磁性斯格明子的赛道存储

磁性斯格明子是拓扑稳定的自旋结构,它的尺寸小,驱动电流阈值小,被广泛认为是下一代磁性存储的基本单元.斯格明子的主要优势在于它奇特的动力学性质,特别是它能够与传导电子相互作用,在低电流密度驱动下可以在赛道上稳定地运动.本文结合磁性斯格明子赛道存储的最新研究成果,对斯格明子在赛道上的写入、驱动和读出三个方面进行了较为详细的综述.重点介绍了注入自旋极化电流这一最常见的驱动方法,分析了斯格明子在赛道上的堵塞和湮没现象,探讨了斯格明子霍尔效应及其可能造成信号丢失的危害和相关的解决方法,并在此基础上详细介绍了几种斯格明子塞道存储的优化设计方案.最后总结了磁性斯格明子赛道存储面临的一些挑战.     

磁斯格明子器件及其应用进展

磁斯格明子是一种具有准粒子特性的拓扑纳米磁畴壁结构.由于磁斯格明子具有较好的稳定性和新奇的动力学特性,并可被磁场、电场、电流等方式调控,有望成为高密度、低耗能、非易失性信息存储及逻辑运算的新兴信息载体.自2009年磁斯格明子首次被实验观测到至今,已有多种基于磁斯格明子的器件概念和原型器件被提出.本文对基于磁斯格明子应用的研究进展进行综述,对现阶段几种具有代表性的磁斯格明子器件应用进行简要介绍、分析和总结,包括基于磁斯格明子的赛道存储器件、逻辑计算器件、类晶体管功能器件和纳米级微波振荡器;同时阐述了几种可能的通过磁斯格明子表达二进制信息元的方法;并展望了磁斯格明子的其他潜在应用以及未来基于磁斯格明子器件应用的发展方向.     

Discrete double core skyrmions in magnetic thin films

We study the Belavin-Polyakov double core skyrmions in two-dimensional isotropic Heisenberg ferromagnets on a discrete square lattice by means of spin dynamic simulations using periodic boundaries conditions. It is also investigated the presence of external in-plane magnetic fields and lattice defects. We have shown that these discrete skyrmions not cylindrically symmetric have a high degree of stability, similar to their continuum counterparts, even if small spatial inhomogeneities are present into the system.     

Deuteron under strong magnetic fields: Skyrme model study

We explore the deuteron under strong magnetic fields in Skyrme models. The effects of the derivative dependent sextic term in the Skyrme Lagrangian are investigated, and the rational map approximation is used to describe the deuteron. The influences of strong magnetic fields on the electric charge distribution and mass of the deuteron are discussed.     

Lorentz transmission electron microscopy for magnetic skyrmions imaging

Magnetic skyrmions have interesting properties, including their small size, topological stability, and extremely low threshold current for current-driven motion. Therefore, they are regarded as promising candidates for next-generation magnetic memory devices. Lorentz transmission electron microscopy(TEM) has an ultrahigh magnetic domain resolution(～2 nm), it is thus an ideal method for direct real-space imaging of fine magnetic configurations of ultra-small skyrmions.In this paper, we describe the basic principles of Lorentz-TEM and off-axis electron holography and review recent experimental developments in magnetic skyrmion imaging using these two methods.