物理系江万军课题组在拓扑量子磁性方面取得研究进展


近期,清华大学物理系江万军课题组在拓扑磁结构的旋性布朗运动方面取得进展,在2020年7月美国物理学会出版的国际权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,以“拓扑数相关的斯格明子旋性布朗运动”(Topology-Dependent Brownian Gyromotion of a Single Skyrmion)为题发表了研究论文。

布朗运动是一种非平衡态热力学现象,它描述的是?入在液体中微小颗粒的随机运动行为。早在1905年, 爱因斯坦就对布朗运动开展了理论研究,并指出:布朗运动行为是各向同性、扩散系数与温度之间呈线性关系。法国物理学家让.佩兰(Jean Perrin)也通过研究布朗运动,证实了物质的原子属性以及爱因斯坦理论的正确性,并于1926年获得了诺贝尔物理学奖。但直到今天,人们对布朗运动的研究至今从未停止过。


有限温度下具有正负拓扑数的斯格明子的旋性布朗运动。左图所示为拓扑数Q = -1的斯格明子,右图为Q = +1的斯格明子。下图为实验中所观测到的斯格明子随温度之间指数型扩散关系。


近日,来自清华大学和香港中文大学(深圳)的研究团队发现,磁性薄膜中斯格明子的布朗运动行为与爱因斯坦的理论预测存在显著差异。斯格明子是一种具有自旋拓扑属性的一种准粒子,它在热扰动影响下会发生随机运动。但其自旋拓扑属性在随机热运动中的响应却一直没有被发现。利用时间与空间分辨的磁光克尔效应显微镜,清华大学物理系江万军课题组发现了斯格明子的旋性布朗运动行为。取决于斯格明子的自旋拓扑态,具有相反拓扑电荷Q = ±1的斯格明子,布朗运动轨迹分别沿顺时针和逆时针方向旋进。由于缺陷的钉扎效应,他们还观测到扩散系数随温度呈指数依赖关系,这与爱因斯坦的线性温度扩散理论相违背。该工作的微磁学模拟和理论计算是由香港中文大学(深圳)周艳副教授课题组博士后张溪超、夏静和博士生梁雪完成的。此项研究不但能为理解拓扑磁结构的非平衡动力学有所帮助,同时也能为未来自旋电子器件的开发和应用提供一定的指导方案。

清华大学物理系2018级博士生赵乐、博士后王子东和香港中文大学(深圳)博士后张溪超,博士生梁雪为文章共同第一作者,清华大学物理系江万军副教授和香港中文大学(深圳)周艳副教授为共同通讯作者。论文合作者包括中国科学院物理所的于国强研究员、美国加州大学洛杉矶分校的王康隆教授和日本信州大学的刘小晰教授。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京自然科学基金、清华大学自主科研计划理科专项、北京市高精尖芯片中心(ICFC)等项目的支持。

文章链接如下:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.027206