中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学国家重点实验室M07组张颖研究团队在沈保根院士、磁学实验室以及物理所的大力支持下,搭建了集微纳加工、高分辨磁畴多物理场调控、小尺度电输运测量于一体的高分辨率磁畴动力学研究平台,自主发展了原位调控拓扑磁畴的新方法。
近几年运用该方法从微观角度重点研究了纳米尺度磁性斯格明子生成与调控,研究材料包括DMI非中心对称FeGe单晶、中心对称磁性块体以及磁性薄膜等多种材料体系,并拓展到磁涡旋、磁泡等多种非线性磁畴结构,揭示了非线性拓扑磁畴结构的形成规律和物理机制,实现了零磁场下、宽温区内可作为非易失磁性存储单元的高密度拓扑磁畴结构,促进了新型拓扑自旋电子器件的应用以及新物态、新功能、新材料的发现。
张颖研究团队利用上述磁畴研究平台和原位拓扑磁畴电流调控方法,近期分别与清华大学宋成教授团队和北京科技大学王守国教授团队合作,首次在人工反铁磁薄膜中实现了高密度、零场斯格明子。不同于铁磁材料中条状磁畴基态,研究发现人工反铁磁薄膜因磁矩相互抵消呈现的无磁畴基态也可以调控出零场、高密度斯格明子,而且电流、磁场协同调控所需磁场远小于铁磁材料。
由无磁畴基态到高密度斯格明子两种磁状态的可控调控,为自旋电子学信息存储和逻辑运算提供了更多可能。
在新型拓扑磁畴结构、新型拓扑磁性材料的探索方面,张颖研究员带领联合培养硕士生高阳,与中国人民大学物理系雷和畅教授团队和北京科技大学王守国教授合作,首次在二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中观察到了一种新型拓扑磁激发态--畴壁麦纫链,由180°磁畴壁演变形成。
宏观物性测量进一步揭示了该拓扑激发态是由温度降低磁各向异性c方向到ab面转变时的自旋重取向诱发,同时受到磁畴壁的限制以及c方向弱范德华力共同作用而形成,其根源是Fe(1)原子有序度的变化。畴壁上麦纫态的实空间解析、拓扑霍尔电阻峰值的变化及其在外加磁场和电压作用下的整体运动行为,不仅实验证实了新型畴壁拓扑态的存在,还为进一步探索新型拓扑磁畴结构及其应用提供了一个全新的平台。