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我国学者与海外合作者在磁性材料中发现·多拓扑荷特性“磁束子”
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我国学者与海外合作者在磁性材料中发现·多拓扑荷特性“磁束子”

2021-09-09 09:25:13 来源:国家自然科学基金委员会工程与材料科学部

中国电子元件行业协会简称中电元协,成立于1988年,是在民政部注册的国家一级行业协会。协会按产品分类设15个分会,是中国电子元件行业领域的专业管理与服务机构。

在国家自然科学基金项目(批准号:51622105、11804343、11974021)等资助下,中科院强磁场科学中心杜海峰研究团队联合安徽大学和美国新罕布什尔大学臧佳栋团队提出并实验验证了一种多拓扑荷磁结构。该磁结构具有粒子特性,其拓扑荷可以是从正到负的任意整数值,表现出与拓扑荷相关的电流新颖调控特性。研究成果以“磁束子及其电流驱动动力学(Skyrmion bundles and their current-driven dynamics )”为题,于2021年8月2日在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上发表。

数据存储是信息社会发展的重要基石。以硬盘为代表的磁存储器件存储了全球约70% 的数据,但其存储速度、密度和能耗均趋于功能极限。近年来,科学家在磁性材料中发现的磁斯格明子、磁麦韧、磁浮子、磁霍普夫子等多种纳米尺度拓扑磁结构,表现出强自旋-电子耦合特性,有望作为新型数据载体构建新一代高性能自旋电子学器件。对拓扑磁结构的研究形成了拓扑磁电子学学科。然而,前期研究的拓扑磁结构的拓扑荷均不大于1,限制了器件应用。

该联合团队通过三维微磁学模拟及原位洛仑兹透射电镜实现了一种由中间层“磁斯格明子袋”与表面层“多拓扑态磁涡旋”结合的三维多拓扑态磁结构。考虑其构型类似于超导涡旋束,这种磁结构被命名为“磁斯格明子束子”(Skyrmion Bundles),简称“磁束子”。“磁束子”在纳秒脉冲电流驱动下具有粒子行为,能够作为一个整体在电流驱动下运动,并且其运动轨迹与拓扑荷符号密切相关(如图1)。

多拓扑荷“磁束子”的实验发现将拓扑磁电子学研究对象从单拓扑荷扩展到多拓扑荷,揭示了磁性材料中拓扑磁结构的多样性,为未来开发多态存储、逻辑及信息处理器件提供新的数据载体,有望开辟拓扑磁电子学研究的新领域。

磁性材料

图1 “磁束子”在电流作用下运动及其自旋电子学器件概念图

 

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