清華新聞網(wǎng)7月13日電 近期，清華大學(xué)物理系江萬(wàn)軍課題組在拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的旋性布朗運(yùn)動(dòng)方面取得進(jìn)展，在2020年7月美國(guó)物理學(xué)會(huì)出版的國(guó)際權(quán)威期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上，以“拓?fù)鋽?shù)相關(guān)的斯格明子旋性布朗運(yùn)動(dòng)”(Topology-Dependent Brownian Gyromotion of a Single Skyrmion)為題發(fā)表了研究論文。
布朗運(yùn)動(dòng)是一種非平衡態(tài)熱力學(xué)現(xiàn)象，它描述的是?入在液體中微小顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)行為。早在1905年,愛(ài)因斯坦就對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)開(kāi)展了理論研究，并指出：布朗運(yùn)動(dòng)行為是各向同性、擴(kuò)散系數(shù)與溫度之間呈線(xiàn)性關(guān)系。法國(guó)物理學(xué)家讓·佩蘭（Jean Perrin）也通過(guò)研究布朗運(yùn)動(dòng)，證實(shí)了物質(zhì)的原子屬性以及愛(ài)因斯坦理論的正確性，并于1926年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但直到今天，人們對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究至今從未停止過(guò)。
有限溫度下具有正負(fù)拓?fù)鋽?shù)的斯格明子的旋性布朗運(yùn)動(dòng)。左圖所示為拓?fù)鋽?shù)Q=-1的斯格明子，右圖為Q= +1的斯格明子。下圖為實(shí)驗(yàn)中所觀(guān)測(cè)到的斯格明子隨溫度之間指數(shù)型擴(kuò)散關(guān)系。
近日，來(lái)自清華大學(xué)和香港中文大學(xué)（深圳）的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，磁性薄膜中斯格明子的布朗運(yùn)動(dòng)行為與愛(ài)因斯坦的理論預(yù)測(cè)存在顯著差異。斯格明子是一種具有自旋拓?fù)鋵傩缘囊环N準(zhǔn)粒子，它在熱擾動(dòng)影響下會(huì)發(fā)生隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。但其自旋拓?fù)鋵傩栽陔S機(jī)熱運(yùn)動(dòng)中的響應(yīng)卻一直沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。利用時(shí)間與空間分辨的磁光克爾效應(yīng)顯微鏡，江萬(wàn)軍課題組發(fā)現(xiàn)了斯格明子的旋性布朗運(yùn)動(dòng)行為。取決于斯格明子的自旋拓?fù)鋺B(tài)，具有相反拓?fù)潆姾蒕=±1的斯格明子，布朗運(yùn)動(dòng)軌跡分別沿順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蛐M(jìn)。由于缺陷的釘扎效應(yīng)，他們還觀(guān)測(cè)到擴(kuò)散系數(shù)隨溫度呈指數(shù)依賴(lài)關(guān)系，這與愛(ài)因斯坦的線(xiàn)性溫度擴(kuò)散理論相違背。該工作的微磁學(xué)模擬和理論計(jì)算是由香港中文大學(xué)（深圳）周艷副教授課題組博士后張溪超、夏靜和博士生梁雪完成的。此項(xiàng)研究不但能為理解拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的非平衡動(dòng)力學(xué)有所幫助，同時(shí)也能為未來(lái)自旋電子器件的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)方案。
清華大學(xué)物理系2018級(jí)博士生趙樂(lè)、博士后王子?xùn)|和香港中文大學(xué)（深圳）博士后張溪超,博士生梁雪為文章共同第一作者，清華大學(xué)物理系江萬(wàn)軍副教授和香港中文大學(xué)（深圳）周艷副教授為共同通訊作者。論文合作者包括中國(guó)科學(xué)院物理所的于國(guó)強(qiáng)研究員、美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的王康隆教授和日本信州大學(xué)的劉小晰教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃理科專(zhuān)項(xiàng)、北京市高精尖芯片中心（ICFC）等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.027206.
編輯：李晨暉
