江万军研究组在基于斯格明子的拓扑自旋电子学方面取得进展

 

磁性斯格明子(magnetic skyrmion)是一种受拓扑保护且具有粒子特性的新颖自旋结构。自从在非中心对称的块体磁性材料中被发现以后,近年来在凝聚态物理学,尤其是自旋电子学领域内引起了极大关注。这来源于:可自由移动的斯格明子作为信息载体,其工作读写电流仅为传统自旋电子学的万分之一,因此被普遍认为是低能耗非挥发自旋存储器件最佳选择。与此同时,斯格明子的实空间自旋拓扑态给予了许多新颖的拓扑物理现象,譬如拓扑霍尔效应,新兴电磁动力学,等效磁单极子。理解这些奇异的拓扑量子现象,寻找室温下的斯格明子,以及制备原型拓扑存储器件已经成为当下凝聚态物理学中一个研究热点。

 

磁场翻转导致空穴的霍尔效应(a)-(b)。理论预测的拓扑电荷的霍尔效应(c)-(d)。斯格明子的霍尔效应的实验观测(e)-(f)。

 

最近,清华大学物理系,低维量子物理国家重点实验室江万军研究组系统地研究了受自旋电流驱动的斯格明子的动力学行为,采用微磁学模拟以及磁光克尔显微镜成像技术,在室温下成功地观测到了拓扑电荷的霍尔效应。与传统电荷在磁场中的霍尔效应类似,该研究表明由于受到拓扑马格纳斯力(topological Magnus force)的影响,拓扑电荷会聚集在样品的侧边,从而展示出宏观的斯格明子霍尔效应。与中心反演对称破缺的手性块体材料不同的是,此结果是利用界面的反演对称性破缺,强的自旋轨道耦合,在非磁性重金属/超薄铁磁体/绝缘体异质结这一低维人工磁性系统中实现的。这项工作为理解斯格明子的拓扑量子输运以及未来原型拓扑存储器件的制备具有指导意义。

相关成果于9月19日以“Direct observation of skyrmion Hall effect”为题在线发表于Nature Physics上(DOI:10.1038/nphys3883)。该项工作是与美国阿贡国家实验室材料学部Axel Hoffmann博士,Suzanne G.E.Velthuis博士,香港中文大学深圳分校周艳教授,美国Bryn Mawr学院陈雪梅教授,美国加州大学洛杉矶分校电子工程系王康隆教授合作完成的。该工作得到了国家科技部,中组部青年千人计划,美国能源部等项目的资助。

文章全文链接:http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3883.html