磁性斯格明子是一種具有手性渦旋組態(tài)的磁疇結(jié)構(gòu)。它具有高微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以在較低的電流密度或其它外場(chǎng)作用下高速運(yùn)動(dòng)，被認(rèn)為是下一代自旋電子器件的理想信息載體。然而，由于缺乏磁性斯格明子結(jié)構(gòu)力磁耦合效應(yīng)的原子尺度研究手段，關(guān)于磁性斯格明子輸運(yùn)行為的微觀(guān)動(dòng)力學(xué)行為一直沒(méi)有得到準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)，制約了磁性斯格明子功能器件的發(fā)展。
傳統(tǒng)的微磁理論模擬認(rèn)為，無(wú)缺陷材料中的磁性斯格明子在電流、磁場(chǎng)梯度或溫度場(chǎng)梯度等外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下的定向運(yùn)動(dòng)速度與外場(chǎng)強(qiáng)度呈線(xiàn)性關(guān)系。而最近的實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，磁性斯格明子定向運(yùn)動(dòng)感受到保守勢(shì)場(chǎng)作用而呈現(xiàn)奇異的非線(xiàn)性輸運(yùn)行為。大多數(shù)研究人員認(rèn)為這一行為是由于磁性斯格明子受到了晶格缺陷釘扎作用而引起，但產(chǎn)生這一現(xiàn)象的微觀(guān)機(jī)制始終不清晰。
圖1：(a)單個(gè)磁性斯格明子自旋組態(tài)（箭頭表示面內(nèi)自旋分量，由其面外分量進(jìn)行著色）和(b)局域晶格畸變場(chǎng)（LLDF）示意圖（箭頭表示原子相對(duì)其晶格的偏移）；(c)當(dāng)磁性斯格明子在外場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，其感受到LLDF提供的阻力；(d)當(dāng)LLDF在外場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁性斯格明子感受到LLDF提供的牽引力。在(c)和(d)，彩色箭頭表示頂部的磁斯格明子結(jié)構(gòu)；彩色火花表示LLDF感受到的具有與母體晶體相同晶格周期性的保守勢(shì)場(chǎng)；而連接磁性斯格明子和LLDF的彩色桿代表了由于自旋晶格耦合效應(yīng)而產(chǎn)生的相互作用。
我校物理學(xué)院鄭躍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)磁性斯格明子擴(kuò)散勢(shì)壘的微觀(guān)機(jī)制給出了新的機(jī)理解釋——自旋晶格耦合效應(yīng)（spin-lattice coupling, SLC）。由于磁性斯格明子結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的自旋組態(tài)具有局部的非均勻分布，在自旋晶格耦合作用下，導(dǎo)致局域晶格畸變場(chǎng)（Local lattice distortion field, LLDF），如圖1(a)和(b)所示；而LLDF又可以反過(guò)來(lái)影響磁性斯格明子的動(dòng)態(tài)演化行為，見(jiàn)圖1(c)和(d)。該研究成果于2021年8月24日以“Microdynamic Study of Spin-Lattice Coupling Effects on Skyrmion Transport”為題在線(xiàn)發(fā)表在Physical Review Letter上。首先，該項(xiàng)工作將自旋晶格動(dòng)力學(xué)模擬方法拓展到磁性斯格明子體系，研究了無(wú)外場(chǎng)下磁性斯格明子自由擴(kuò)散行為和磁場(chǎng)梯度下的磁性斯格明子定向運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)SLC效應(yīng)引起的LLDF與磁性斯格明子相互作用為磁性斯格明子提供了一個(gè)保守勢(shì)場(chǎng)作用，使磁性斯格明子擴(kuò)散呈現(xiàn)奇異的非線(xiàn)性行為。其次，通過(guò)構(gòu)造并定向移動(dòng)LLDF，磁性斯格明子在SLC效應(yīng)影響下受到牽引力作用，呈現(xiàn)與LLDF一致的定向運(yùn)動(dòng)并伴隨著回旋運(yùn)動(dòng)，證實(shí)了LLDF與磁性斯格明子相互作用的存在。同時(shí)，通過(guò)描述磁性斯格明子運(yùn)動(dòng)的蒂勒方程，解析分析了LLDF對(duì)磁性斯格明子輸運(yùn)行為的影響機(jī)制與規(guī)律。該項(xiàng)研究揭示了磁性斯格明子演化行為的普適性，其等價(jià)于布朗粒子逃逸保守勢(shì)場(chǎng)的輸運(yùn)行為，并與Kramers解析理論預(yù)測(cè)相一致。另外，該項(xiàng)研究也展示了內(nèi)稟自旋晶格耦合對(duì)于磁性斯格明子的精準(zhǔn)調(diào)控有著重要作用，證實(shí)了自旋晶格動(dòng)力學(xué)模擬是研究磁性斯格明子動(dòng)態(tài)演化及其功能特性調(diào)控有效的原子尺度模擬方法。
該工作由中山大學(xué)獨(dú)立完成，物理學(xué)院為第一單位，合作單位包括光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中法核工程與技術(shù)學(xué)院和材料學(xué)院，物理學(xué)院博士生伍一豐為第一作者，鄭躍教授和文豪華副教授為共同通訊作者，陳偉津副教授也參與了研究工作。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目以及國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心的大力支持。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.097201
