兼具溫度、電流、磁場等多物理場協(xié)同調(diào)控的高分辨洛倫茲透射電鏡在實空間探索納米尺度新型磁疇結(jié)構(gòu)，原位揭示與磁相關(guān)的新奇物理現(xiàn)象微觀機(jī)制及自旋原理性器件應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點實驗室M07組研究員張穎研究團(tuán)隊在中科院院士沈保根、磁學(xué)實驗室和物理所的支持下，搭建了集微納加工、高分辨磁疇多物理場調(diào)控、小尺度電輸運測量于一體的高分辨率磁疇動力學(xué)研究平臺，自主發(fā)展了原位調(diào)控拓?fù)浯女牭男路椒ā＝陙恚芯咳藛T運用該方法，從微觀角度重點研究了納米尺度磁性斯格明子生成與調(diào)控，研究材料包括DMI非中心對稱FeGe單晶、中心對稱磁性塊體以及磁性薄膜等多種材料體系，并拓展到磁渦旋、磁泡等多種非線性磁疇結(jié)構(gòu)，揭示了非線性拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)的形成規(guī)律和物理機(jī)制，實現(xiàn)了零磁場下、寬溫區(qū)內(nèi)可作為非易失磁性存儲單元的高密度拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)，促進(jìn)了新型拓?fù)渥孕娮悠骷膽?yīng)用及新物態(tài)、新功能、新材料的發(fā)現(xiàn)。

　　鐵磁材料的條狀磁疇一般被認(rèn)為是斯格明子產(chǎn)生的基態(tài)，斯格明子在電流驅(qū)動下的行為是其應(yīng)用的關(guān)鍵。然而，實驗與理論模擬均表明，鐵磁材料中的斯格明子在電流作用下的拓?fù)浠魻栃?yīng)使斯格明子的運動軌跡偏離，限制其在自旋電子器件的應(yīng)用。反鐵磁材料由于磁矩相反，使拓?fù)浠魻栃?yīng)抵消，有望保證拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)沿直線運動。因此，研究反鐵磁材料中拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)的生成與調(diào)控，探索新型拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)、新型拓?fù)浯判圆牧鲜钱?dāng)前拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)在自旋電子學(xué)應(yīng)用中的重要研究方向。

　　研究人員利用上述磁疇研究平臺和原位拓?fù)浯女犽娏髡{(diào)控方法，分別與清華大學(xué)教授宋成團(tuán)隊（[Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]多層膜，圖1）和北京科技大學(xué)教授王守國團(tuán)隊（[Co/Pt]n/NiO/[Co/Pt]n多層膜，圖2）合作，首次在人工反鐵磁薄膜中實現(xiàn)了高密度、零場斯格明子。不同于鐵磁材料中條狀磁疇基態(tài)，研究發(fā)現(xiàn)，人工反鐵磁薄膜因磁矩相互抵消呈現(xiàn)的無磁疇基態(tài)也可調(diào)控出零場、高密度斯格明子；電流、磁場協(xié)同調(diào)控所需磁場小于鐵磁材料。由無磁疇基態(tài)到高密度斯格明子兩種磁狀態(tài)的可控調(diào)控，為自旋電子學(xué)信息存儲和邏輯運算提供了更多可能。相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Nano Lett. 20，3299（2020）和Adv. Mater. 32，1907452（2020）上。

　　在新型拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)、新型拓?fù)浯判圆牧系奶剿髦校瑥埛f帶領(lǐng)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生高陽，與王守國、中國人民大學(xué)物理系教授雷和暢團(tuán)隊合作，首次在二維范德華鐵磁材料Fe_5-xGeTe₂中，觀察到一種新型拓?fù)浯偶ぐl(fā)態(tài)——疇壁麥紉鏈（圖3），由180°磁疇壁演變形成。宏觀物性測量進(jìn)一步揭示，該拓?fù)浼ぐl(fā)態(tài)是由溫度降低磁各向異性c方向到ab面轉(zhuǎn)變時的自旋重取向誘發(fā)（圖4），同時受到磁疇壁的限制及c方向弱范德華力共同作用而形成，其根源是Fe(1)原子有序度的變化。疇壁上麥紉態(tài)的實空間解析、拓?fù)浠魻栯娮璺逯档淖兓捌湓谕饧哟艌龊碗妷鹤饔孟碌恼w運動行為（圖5），不僅實驗證實了新型疇壁拓?fù)鋺B(tài)的存在，也為進(jìn)一步探索新型拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)及其應(yīng)用提供了全新的平臺。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Materials上。

　　研究工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、中科院海西研究院和青年創(chuàng)新促進(jìn)會的支持。

　　論文鏈接：1、2、3 

　　圖1.人工反鐵磁多層膜 [Co/Pd]/Ru/[Co/Pd]/Ru/[Co/Pd] 中，洛倫茲透射電鏡電流、磁場協(xié)同調(diào)控生成零場、高密度斯格明子

　　圖2.人工反鐵磁多層膜[Co/Pt]n/NiO/[Co/Pt]n中，洛倫茲透射電鏡電流、磁場協(xié)同調(diào)控生成零場、高密度斯格明子

　　圖3.二維范德華鐵磁材料Fe_5-xGeTe₂中，溫度降低時原位實空間觀察新型拓?fù)浯偶ぐl(fā)態(tài)--疇壁麥紉鏈由180°磁疇壁演變過程

　　圖4.二維范德華鐵磁材料Fe_5-xGeTe₂中，新型拓?fù)浯偶ぐl(fā)態(tài)--疇壁麥紉鏈產(chǎn)生機(jī)制與根源。（a-c）溫度降低時磁各向異性轉(zhuǎn)變發(fā)生自旋重取向，（d-e）溫度降低Fe(1)位原子有序引起結(jié)構(gòu)有序度的變化，是影響宏觀物性的根源

　　圖5.二維范德華鐵磁材料Fe_5-xGeTe₂中，新型拓?fù)浯偶ぐl(fā)態(tài)——疇壁麥紉鏈在外加電壓（a-c）和磁場（d-g）下的動力學(xué)行為