清華新聞網(wǎng)6月9日電 磁斯格明子是一種具有單位拓?fù)浜傻姆枪簿€(xiàn)自旋結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是高速度、高密度、低能耗自旋存儲(chǔ)器件中的優(yōu)良信息載體，相關(guān)研究引起了凝聚態(tài)物理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的極大關(guān)注。其單位化的拓?fù)浜桑≦= ±1）定義了斯格明子的準(zhǔn)粒子和拓?fù)涮卣?，使得許多新興的磁電現(xiàn)象成為可能，如拓?fù)浠魻栃?yīng)、斯格明子霍爾效應(yīng)等。在過(guò)往斯格明子拓?fù)湮锢砗蜏?zhǔn)粒子動(dòng)力學(xué)研究中，通常將斯格明子霍爾效應(yīng)和電荷霍爾效應(yīng)作類(lèi)比，并認(rèn)為斯格明子拓?fù)浜珊碗姾芍g具有相似性。作為一種典型的自旋結(jié)構(gòu)，人們更期望斯格明子表現(xiàn)出與電子自旋相似的動(dòng)力學(xué)行為。然而，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究一直未有報(bào)道。
圖1.斯格明子在磁場(chǎng)梯度作用下的微磁學(xué)模擬。從中可以看到具有相反拓?fù)浜桑≦= ±1），分別沿著磁場(chǎng)梯度方向（x）的反向運(yùn)動(dòng)
近日，清華大學(xué)物理系江萬(wàn)軍副教授課題組及其合作者，受著名的斯特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)啟發(fā)，研究了斯格明子在磁場(chǎng)梯度下的準(zhǔn)粒子動(dòng)力學(xué)，并揭示了其與原子自旋類(lèi)似的物性。借助于微磁學(xué)模擬和蒂勒方程（Thiele equation），團(tuán)隊(duì)首先研究了磁場(chǎng)梯度驅(qū)動(dòng)下奈爾型斯格明子的準(zhǔn)粒子動(dòng)力學(xué)行為，并證明了相反拓?fù)浜傻乃垢衩髯訒?huì)在磁場(chǎng)梯度方向表現(xiàn)出反方向的運(yùn)動(dòng)。課題組進(jìn)一步設(shè)計(jì)了“片上類(lèi)斯特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)”。該實(shí)驗(yàn)中，將界面不對(duì)稱(chēng)的鉭/鈷鐵硼/氧化鎂多層膜與產(chǎn)生奧斯特場(chǎng)及其梯度的片上導(dǎo)線(xiàn)集成，實(shí)驗(yàn)研究了奈爾型斯格明子在磁場(chǎng)梯度下的動(dòng)力學(xué)行為。利用極化磁光克爾顯微鏡，團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到室溫斯格明子的產(chǎn)生，并驗(yàn)證了具有相反拓?fù)浜傻乃垢衩髯釉谘刂艌?chǎng)梯度方向表現(xiàn)出相反的運(yùn)動(dòng)行為。該現(xiàn)象與原子自旋在磁場(chǎng)梯度下的分離現(xiàn)象非常類(lèi)似，從而揭示了斯格明子拓?fù)鋭?dòng)力學(xué)特征與自旋的相似性。該工作厘清了對(duì)斯格明子拓?fù)湫再|(zhì)的認(rèn)知，提出了一種高效產(chǎn)生和操控斯格明子的新方法，同時(shí)也能啟發(fā)新興片上斯格明子器件的開(kāi)發(fā)。
圖2.斯格明子的片上類(lèi)斯特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)。（a）用于產(chǎn)生奧斯特磁場(chǎng)以及梯度的器件照片（經(jīng)過(guò)透視變形和上色）。（b）在圖1所示虛線(xiàn)框內(nèi)，利用極化磁光克爾顯微鏡，采集到相反拓?fù)浜桑ā繯）斯格明子在相反奧斯特磁場(chǎng)梯度（±gm）下的運(yùn)動(dòng)軌跡?？招膱A（實(shí)心圓）標(biāo)記在施加單個(gè)電流脈沖（?t= 10微秒）之前（之后）斯格明子的位置。箭頭的方向指示標(biāo)記的斯格明子的運(yùn)動(dòng)方向。比例尺為5微米
6月2日，相關(guān)研究結(jié)果以“斯格明子的磁場(chǎng)梯度調(diào)控：一個(gè)類(lèi)斯特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)”（Manipulation of Skyrmion by Magnetic Field Gradients: A Stern–Gerlach-Like Experiment）為題發(fā)表在《納米快報(bào)》（Nano Letters）上。
來(lái)自國(guó)防科技大學(xué)的訪(fǎng)問(wèn)博士生劉嘉豪和清華大學(xué)物理系博士后宋承昆為該論文的共同第一作者，物理系江萬(wàn)軍副教授，劉嘉豪和國(guó)防科技大學(xué)方糧研究員為論文共同通訊作者。論文合作者包括清華大學(xué)物理系2018級(jí)博士生趙樂(lè)，2022級(jí)博士生趙彬晅，2021級(jí)博士生趙孟琦，博士后蔡立、馮紅梅，以及香港中文大學(xué)周艷教授。
該研究得到基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃（篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)）、北京市高精尖芯片中心（ICFC）、量子物質(zhì)協(xié)同創(chuàng)新中心、深圳孔雀團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00731
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：郭玲
