近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院強磁場科學中心研究員陸輕鈾、博士馮啟元與南京師范大學教授馬付勝合作，利用自制的磁力顯微鏡系統(tǒng)（MFM），在人工合成反鐵磁多層膜中發(fā)現(xiàn)了一種可在幾開爾文到300開爾文（K）寬溫區(qū)穩(wěn)定存在，能規(guī)則排列且尺寸連續(xù)可調(diào)的新型人工磁斯格明子（Magnetic Skyrmion）結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《先進功能材料》上。

　　磁斯格明子，一種非易失的拓撲保護自旋結(jié)構(gòu)，具有拓撲保護穩(wěn)定性、尺寸小以及低電流驅(qū)動等優(yōu)良特性，被認為是未來高密度、高速度、低能耗存儲器件的信息載體，受到廣泛關(guān)注。然而，其實用化道路依然充滿挑戰(zhàn)。例如，現(xiàn)可供挑選的磁斯格明子材料體系依然太少，其中，能使其在室溫存在的體系更是屈指可數(shù)。此外，現(xiàn)研究多集中在磁斯格明子的自發(fā)形成是雜亂無序的鐵磁多層膜或單晶體系中。到目前為止，一個能使磁斯格明子規(guī)則排列、室溫穩(wěn)定存在且尺寸可控的研究平臺尚有待開發(fā)。這既是磁斯格明子的研究熱點也是其實用化的關(guān)鍵所在。

　　馬付勝課題組利用人工合成反鐵磁多層膜中的反鐵磁層間耦合相互作用原理，通過微納加工，構(gòu)造出一組不同尺寸、規(guī)則排列的人工合成反鐵磁圓盤結(jié)構(gòu)。馬付勝等人通過光學、磁電阻等測量方法，觀測到預(yù)示磁斯格明子連續(xù)過渡變化的信號曲線。

　　此時，實現(xiàn)微觀層次上磁斯格明子的直接觀測顯得尤為重要。但該工作非常困難，首先，該光刻樣品僅幾十微米。這意味著成像儀器要在強磁場環(huán)境和4.5-300K的寬溫區(qū)范圍內(nèi)能實現(xiàn)對樣品的連續(xù)精準定位，儀器要求高；其次，磁斯格明子本身磁信號微弱，尺寸小，觀測難度大。這些不利因素使微觀測量極具挑戰(zhàn)。

　　為此，陸輕鈾、馮啟元自制了一套可定位MFM，該儀器可在4.2-300K溫度范圍內(nèi)連續(xù)定位20μm器件樣品且實現(xiàn)磁結(jié)構(gòu)的成像與調(diào)控。利用該MFM，不僅成功觀測到磁斯格明子，且系統(tǒng)研究了一組樣品中磁斯格明子形成、縮小和坍塌等完整演化過程。同時，觀測發(fā)現(xiàn)，該體系中的磁斯格明子能在幾K到300K范圍內(nèi)穩(wěn)定存在，且尺寸能調(diào)節(jié)到低于100納米。

　　該工作為磁斯格明子的研究提供了直接微觀動力學圖像，為后續(xù)新型器件實用化設(shè)計提供了新的材料體系參考。

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　　圖：（a）室溫下MFM測量結(jié)果；（b）樣品磁化狀態(tài)隨磁場的演變；（c）-(d) 實驗與微磁學模擬結(jié)果；（e）樣品結(jié)構(gòu)示意圖