郑跃教授团队在磁斯格明子研究方面取得新进展

       斯格明子（Skyrmion）这一概念最早源于英国物理学家托尼·斯格明（Tony Skyrme）1962年提出的一个关于拓扑保护的理论模型，用以描述高能物理中强子的稳定性。后来，研究者把具有相同拓扑构型的矢量场结构命名为斯格明子（Skyrmion）。近年来，斯格明子在磁性、铁电、液晶、光学等不同体系中被广泛发现和研究。其中，磁斯格明子由于其独特的拓扑特性赋予了其像粒子一样稳定存在并且在外场作用下自由驱动的能力，被认为是构建未来自旋电子学器件的理想信息载体。基于磁斯格明子的运动、产生和湮灭等动力学特性，有望开发高密度、低能耗、非易失性存储器件、神经形态器件、随机和量子计算器件等新型电子器件。

       作为一种准粒子，将磁斯格明子类比成实际物体能更好地理解其物理特性。比如，传统的磁斯格明子动力学理论将磁斯格明子类比成带拓扑荷的刚体，能很好地解释了磁斯格明子运动过程中由于拓扑导致的运动偏转效应。然而，最近的实验观测和计算机模拟却发现磁斯格明子即使在低负载情况下依然能发生显著的结构形变，意味着它们可能出乎意料的“软”。郑跃教授团队研究发现磁斯格明子形变下的动力学特性更接近弹性体，并针对磁斯格明子形变问题拓展了现有的斯格明子动力学理论框架，进一步提出了磁斯格明子的广义力学模型。

       在此项工作中，郑跃教授团队研究了电流与线缺陷共同“夹持”作用下磁斯格明子的形变与运动情况[如图1(a)所示]。磁斯格明子的形变与平移在微观上对应于不同的自旋集体翻转模式[如图1(b)所示]，通过虚功原理可以建立起这些翻转模式的能量上的联系，并且解析给出与磁斯格明子形变和运动相关的广义力的表达式。在该理论框架下，磁斯格明子的形变与运动需要遵循广义力学平衡方程。

图1：磁斯格明子在电流与线缺陷作用下的广义力学模型。（a）磁斯格明子受力分析图；（b）磁斯格明子平移和形变对应的自旋翻转模式；（c）不同广义力引起的磁斯格明子形变。

       基于上述理论框架，该研究进一步发现磁斯格明子的形变行为可以用一个新的物理量——柔度（flexibility）描述，同样电流下柔度大的磁斯格明子会发生更大的形变。通过微磁模拟计算了不同情况下磁斯格明子的形变行为，并与磁斯格明子的广义力学模型预测的结果进行了对比[如图2(a)与(b)所示]，验证了该模型的正确性。另一方面，该工作研究了不同柔度的磁斯格明子的电流输运特性曲线。如图2(c)所示，当柔度较大时，经典的磁斯格明子动力学模型出现很大偏差，而基于磁斯格明子广义力学的拓展模型能很好地吻合数值模拟的结果。如图2(d)所示，该工作进一步报道由于磁斯格明子柔度不同导致解钉扎电流出现3至5倍差异。这项研究扩展了现有的磁斯格明子动力学理论框架，提出了磁斯格明子柔度的概念，并揭示了其对磁斯格明子动力学的影响，为理解磁斯格明子在现实器件中的动力学行为提供了有益启示。研究团队正在搭建具有高时空分辨率的磁光克尔测量与显微成像系统，开展磁斯格明子形变动力学的实验研究。

图2：磁斯格明子柔度对输运特性影响（a）磁斯格明子柔度相图；（b）不同垂直磁各向异性（PMA）与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）下，磁斯格明子柔度的理论与数值模拟预测对比；（c）不同柔度的磁斯格明子的输运特性曲线;（d）柔度对磁斯格明子解钉扎电流的影响。

       该研究成果于2023年12月12日以“Emergent Mechanics of Magnetic Skyrmions Deformed by Defects”为题在线发表在《Physical Review Letters》上。该工作由beat365中国唯一官方网站独立完成，beat365中国唯一官方网站为第一完成单位，博士后刘林杰为第一作者，郑跃教授、材料学院陈伟津教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金委、广东省磁电物性分析与器件重点实验室以及光电材料与技术国家重点实验室的大力支持与协助。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.246701