清华江万军Physics Reports综述文章：磁性多层膜中的斯格明子

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近年来随着拓扑量子材料的蓬勃发展，磁学领域内也衍生出了一个新兴的学科 — 拓扑自旋电子学。拓扑自旋电子学以寻找、研究、利用新型拓扑自旋结构为核心，其典型研究对象为自旋实空间中具有拓扑保护属性的磁性斯格明子（magnetic skyrmion）。来源于其拓扑特性，微纳米尺度的斯格明子可以被非常微弱的电流高效驱动。因而被业界认为是下一代高密度、高速度、低耗能、非易性自旋存储器件中的优良信息载体。在潜在产业应用的同时，斯格明子实空间自旋拓扑态也给予了丰富的拓扑输运物理现象，譬如拓扑霍尔效应(topological Hall effect)、新兴磁电动力学(emerging magneto-electrodynamics)、斯格明子的霍尔效应(skyrmion Hall effect)等等。因此，对拓扑磁性斯格明子，尤其是室温下的斯格明子的基础研究不但能揭示、预测、理解这些有趣的拓扑量子物理，同时也能为下一代新型自旋拓扑存储器件做好知识与技术储备 [1,2]。

1962年，英国核物理学家Tony Skyrme提出了一种受拓扑保护的准粒子模型来解释核物理中的强子，这种粒子后来被命名为Skyrmion（中文译作“斯格明子” ）。尽管在1989年Bogdanov等人从理论上预言了磁性材料中存在类似于斯格明子的准粒子 [3]，直到2009年Mühlbauer等人才首次在实验上通过中子散射观测到了磁性斯格明子存在的证据 [4]。随后，Yu等人在2010年利用洛伦兹透射电镜揭示了磁性斯格明子的空间非共线自旋结构分布 [5]。当磁性斯格明子的存在被实验证实之后，拓扑自旋电子学这一新兴的研究方向逐渐登上历史舞台。

 研究表明，空间反演对称性破缺和强自旋轨道耦合相互作用为形成非共线磁性相互作用以及磁性斯格明子的必要因素。通过打破界面反演对称性破缺，江万军等人首先证明了在重金属/铁磁体的异质结中也可产生磁性斯格明子 [6]。该材料体系中的磁性斯格明子不仅尺度上可以做到更小（3 纳米左右），而且兼具室温热稳定性以及自旋轨道矩低能耗操控方式 [6-8]。在一系列前期工作基础之上[Science, 349, 283 (2015)以及Nature Physics 13, 162 (2017)]，清华大学物理系、 低维量子物理国家重点实验室江万军助理教授等人应邀在Physics Reports上发表综述文章《磁性多层膜中的斯格明子》。从斯格明子在磁性薄膜材料中的物理起因、到设计与制备、拓扑输运物理、原型功能器件等方面，该综述文章详实地讨论了当前斯格明子材料体系的研究趋势以及未来面临的挑战。该文章为更好地开发磁性斯格明子新型材料与器件、推动拓扑自旋电子学的发展理清思路。

图一：磁性多层膜中斯格明子的特征优势。图A所示为具有界面反演对称破缺的重金属/超薄铁磁薄膜双层膜。重金属层的强自旋轨道耦合为界面手性磁相互作用提供了介质，导致磁性多层膜体系中可以存有潜在的奈耳态斯格明子相，如图B左所示。图B右所示为实空间斯格明子中自旋结构映射到单位球体上的拓扑图像。通过自旋相关散射机制，此材料体系中的重金属同时也具有强自旋霍尔效应，如图C所示。图D所示为自旋霍尔效应以及自旋轨道矩高效操控近邻磁体中的磁性斯格明子的微磁学模拟结果。 

相关成果以“Skyrmions in magnetic multilayers”为题于2017年9月14日发表在物理类综述期刊《Physics Reports》上。该项工作得到了科技部重大研发计划、中组部“青年千人”计划、清华大学低维量子物理国家重点实验室以及北京未来芯片技术高精尖创新中心的资助。该论文的合作作者包括：美国加州大学戴维斯分校物理系的陈宫博士，刘凯教授，美国新新罕布什尔州大学物理系的臧佳栋教授，美国阿贡国家实验室材料学部的Suzanne G. E. te Velthuis以及Axel Hoffmann博士。 

点击文末阅读原文可致论文页面。文章全文链接： http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0370157317302934

参考文献：

[1]   Nagaosa, N. & Tokura, Y. Topological properties and dynamics of magnetic skyrmions. Nature Nanotechnology 8, 899-911(2013).

[2]   Fert,A., Cros, V. & Sampaio, J. Skyrmions on the track. Nature Nanotechnology 8, 152-156(2013).

[3]   Bogdanov, A. N. & Yablonskii, D. A.Thermodynamically stable "vortices" in magnetically ordered crystals. Sov. Phys. JETP, 68, 101-103, (1989).  

[4]   Mühlbauer,S.et al.,Skyrmion lattice in a chiral, magnet. Science, 323, 915-919, (2009).

[5]   Yu, X. Z. et al.,Real-space observation of a two-dimensional skyrmion crystal. Nature,465, 901-904, (2010).

[6]   Jiang,W. et al., Blowing magnetic skyrmion bubbles. Science 349, 283-286 (2015).

[7]   Woo, S.et al., Observation of room-temperature magnetic skyrmions and their current-driven dynamics in ultrathin metallic ferromagnets. Nature Materials 15, 501-506 (2016).

[8]  Moreau-Luchaire, C. et al., Additive interfacial chiral interaction in multilayers for stabilization of small individual skyrmions at room temperature. Nature Nanotechnology 11, 444-448(2016).

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