近日，由广州大学物理与材料科学学院、华南师范大学广东省量子调控工程与材料重点实验室、南京大学固体微结构物理国家重点实验室组成的科研团队，在物理学权威期刊《Physical Review B》上发表了关于非对称形变斯格明子动力学的研究成果。
磁性斯格明子（skyrmion）是一种特殊的拓扑磁结构，蕴含着丰富的物理现象和特性，被普遍认为是构建高密度、高速度、低能耗的新一代自旋电子器件的理想信息存储单元，成为当前凝聚态物理研究热点。此前大部分研究主要通过自旋极化流、温度梯度、磁场梯度、自旋波等外部作用产生的外力(矩)来调控斯格明子动力学，并且把斯格明子当作刚性的圆形准粒子而忽略磁体内力对其动力学的影响。
最近的实验和理论研究表明斯格明子在外加激励作用下往往会出现形变。据此，该研究团队开展形变斯格明子动力学的研究。通过微磁学模拟得到一个特殊的“花形”铁磁/重金属层/PMN-PT异质结中出现三个斯格明子稳态（图1），利用脉冲电压诱导的应变使磁体中斯格明子发生运动，实现三个斯格明子态之间的转换（图2）。微磁学模拟结果发现斯格明子存在非对称的形变，从而自然产生驱动斯格明子运动的内力和应力（图3）。为了进一步揭示内力和应力出现的物理机制，研究团队通过建立形变斯格明子的解析模型，理论推导得到斯格明子受的内力和应力与斯格明子形状之间关系的解析表达式。解析解和微磁学模拟结果很好地吻合，表明该解析解能很好解释非对称形变斯格明子所受的内力和应力出现的物理机制（图4）。该研究拓宽了对形变斯格明子力学性质的理解，提供了通过内力和应力调控斯格明子动力学的有效方案，为发展节能高效、可电场控制的斯格明子自旋电子器件提供新思路。
图1 (a) 花形铁磁/重金属/PMN-PT异质结示意图。(b) 花形异质结俯视图。(c) 异质结中出现三个斯格明子稳态。
图2 模拟得到电压脉冲诱导应变实现三个斯格明子态之间的可逆切换。
图3 (a) 斯格明子运动过程中受力示意图。(b) 模拟得到斯格明子运动中受的各内力分量和应力。(c) 斯格明子受到内力和应力的合力。(d) 斯格明子上各项能量密度的分布以及对应的各内力分量和应力。
图4 (a) 解析解揭示非对称形变斯格明子上力角密度的非对称分布导致斯格明子受内力和应力。 (b) 非对称形变斯格明子结构由几个主要的形变模式贡献。(c) 微磁学模拟和解析解得到的内力、应力对比。
上述工作以“Dynamics of asymmetrically deformed skyrmion driven by internal forces and strain force in a flower-shaped magnetic nanostructure”为题，于2024年12月5日发表在《Physical Review B》上。凝聚态物理专业2021级硕士研究生谭振宇和导师陈继培副教授为论文的共同第一作者，陈继培副教授和华南师范大学高兴森教授为论文通讯作者，广州大学为第一完成单位。该工作合作者包括广州大学陈渊教授、华南师范大学秦明辉教授、南京大学刘俊明教授等。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金和广州市教育局材料科学与工程重点学科项目的支持。
原文链接：
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.110.224411
