近日，上海科技大学物质学院张石磊团队在磁性斯格明子（Skyrmions）表面态研究中取得重要成果：通过先进软X射线共振散射（REXS）手段，在手性磁体材料中首次发现了磁性拓扑表面态 ——一种在垂直方向有序排列的表面磁性斯格明子。这一发现将对非易失性存储器件设计及功能性优化产生重要影响。该研究成果以“Robust Perpendicular Skyrmions and Their Surface Confinement”为题发表于学术期刊《Nano Letters》。
磁性斯格明子是一种受拓扑保护的新型磁构型，在二维空间表现出纳米尺度的涡旋状自旋结构。在三维空间，斯格明子阵列则会堆垛成管状填满整个材料。斯格明子的产生关键在于DM（Dzyaloshinskii-Moriya）相互作用，主要存在于具有非中心对称性的手征磁性块体材料和界面存在镜面对称性破缺的磁性薄膜材料中，分别产生布洛赫型和奈尔型两种自旋构型，如图a所示。除了其本身具有一系列奇异的拓扑物理特性以外，由于可通过施加较小的外部电流对其进行操控且具有拓扑稳定性，磁性斯格明子被认为可作为非易失性存储器件的磁性单元，在非易失性计算和存储器件开发中具有潜在应用。
a 两类斯格明子在实空间的漩涡状自旋排列（3D打印模型）；b,c 传统面内斯格明子 vs 新型垂直斯格明子赛道存储器示意图
目前传统的可用于实现斯格明子存储器件的方式是通过施加一个面外的磁场，产生面内的体态斯格明子阵列，以赛道存储器的方式进行编码和操作，如图b所示。因此，编码信息的稳定性取决于单个斯格明子之间的距离是否恒定。在信息操控的同时在材料中保持稳定的斯格明子相是目前极具挑战性的一个难题：首先，由于磁振子或热扰动产生的随机噪声，特殊几何构型产生的边缘效应和表面缺陷等因素，使得单个斯格明子的位置随时间而波动；其次，在手性磁体中，斯格明子形成的区域在很窄的一个范围内，也使得利用其实现非易失性存储器件变得非常困难。
张石磊教授团队利用软X射线共振弹性散射技术对手性磁体Cu2OSeO3单晶内的斯格明子行为进行了深入研究。首先通过施加一个面内的磁场，产生垂直方向上的体态斯格明子管状阵列。而有意思的是，此磁有序状态并没有体现出传统面内斯格明子在低温下消失的特性。与之相反的是，斯格明子在广泛的温度区间内呈现稳定状态。进一步REXS三维磁结构解析表明，这一稳定的拓扑结构仅仅存在于样品表面（120 nm以上），而体态则符合传统面内手性磁体的行为，即为非拓扑保护的锥状磁序。这一奇异的磁结构是由于材料表面的平移对称性破缺导致，形成了拓扑磁序的“表面钉扎”效应。因此，外界的磁场和温度的扰动都不易破坏这种斯格明子状态。这一发现对基于斯格明子的存储器件开发有着重要意义。由此衍生出的垂直斯格明子存储赛道器件能够更稳定、更高密度地存储信息（如图c）。
上海科技大学是该研究的主要完成单位，张石磊教授为第一作者。上科大与英国“钻石”同步辐射光源、法国同步辐射光源（Synchrotron SOLEIL）、德国卡尔斯鲁厄理理工学院（Karlsruhe Institute of Technology）、中科院物理所磁学国家重点实验室、安徽大学和牛津大学共同合作完成此项工作，研究得到了上科大科研启动基金和上海科技大学拓扑物理实验室的大力支持。
文章链接：https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05141