纳米结构及磁场调制下拓扑霍尔效应及输运性质研究

Skyrmion, a new type of topological spin texture, has attracted considerable attention. It can serve as a memory bit with a lower energy power and smaller size. It was reported that the topological Hall effects related to skyrmionic states have been studied in two- or three dimensional systems. The influence of the nanostructured geometry on the topological Hall effect is ignored. Very recently, we have been experimentally confirmed that the single skyrmionic state can be generated in mesoscopic FeGe nanodisks. In this case, the quantization effect becomes more evident than it in the two- or three-dimensional systems due to the quantum confinement effect, and the phases originated from magnetic field and nanostructure should be emphasized. Because of the existence of the only single spin texture in nanodisks we can establish exactly the relationship between the single spin texture and topological Hall effect, and exclude the influence of others states. In order to do this proposal, we are planned to develop a new approach that non-equilibrium Green function method and microscopic magnetic structure simulation is combined with each other to study the topological Hall effects in the mesoscopic systems. The purpose of this research aims to the influence of the geometry and magnetic field on the topological Hall effects. This research may supply a theoretical basis on how to modulate the topological Hall effects by the nanostructured geometry and the magnetic field, and serve to the magnetic memory devices.

新型的拓扑性自旋结构--斯格明子是目前的研究热点之一，它能够用作一种新型低能耗、小尺寸的存储器件基元。近来磁场调制下的含有斯格明子体系中的拓扑霍尔效应被广泛研究，然而多数研究聚焦于三维与二维体系，纳米结构的调制对拓扑霍尔效应的影响被忽略。我们最近的实验工作表明斯格明子能够稳定存在于介观体系下的纳米盘中。这种结构中，由于某些维度上的限制，量子效应对拓扑霍尔效应的贡献更为明显，而且磁场相位对拓扑霍尔效应的影响变得重要。由于纳米盘只能容纳单个自旋构型（斯格明子及其形变自旋结构），所以能够精确研究不同的自旋结构对拓扑霍尔效应的影响。为了研究这种非均匀磁化体系的输运性质，我们拟发展一套微磁学模拟和非平衡格林函数相结合的方法用于研究介观结构中的拓扑霍尔效应。本课题的目的在于研究纳米结构和磁场对拓扑霍尔效应的影响，此研究将为如何利用磁场和纳米结构操控拓扑霍尔效应并将此应用于磁性信息存储设备提供理论。

磁斯格明子是一种新型的拓扑自旋结构，具有尺寸小，稳定性高，易操纵等特点，被认为可能用作下一代的电子器件，实现存储和逻辑运算功能。其中不同材料中斯格明子的稳定机制和动态调控等研究引起研究者的广泛关注。本项目围绕着不同材料的斯格明子的稳定与操控进行了一系列的理论工作。（1）FeGe纳米盘中斯格明子产生与稳定的研究：在多数材料中，斯格明子是通过外界磁场“裁剪”周期性的螺旋态产生的。而磁场的存在不利于器件的集成化。我们探索了无磁场下纳米盘中斯格明子的稳定性问题。研究发现，我们可以通过控制边界自旋方向来实现稳定的斯格明子。其中的物理机制是固定边界自旋可以有效地抑制螺旋基态的形成，从而让具有对称性的自旋构型例如斯格明子稳定存在。计算结果表明通过合理的尺寸设计可以实现零场下斯格明子的稳定。我们还发现如果把这种结构整合进入纳米带结构中，在注入电流情况下，可连续产生斯格明子。（2）二维范德瓦尔斯材料中斯格明子的产生与稳定的研究：我们研究了LaCl/In2Se3 二维范德瓦尔斯异质结构中斯格明子的产生与稳定。我们发现由于两种材料的耦合破坏了体系对称性，引入了不对称的铁磁交互作用，而且该体系具有磁平面各项异性，使得斯格明子具有双半子构型，同时磁各项异性、斯格明子的产生与湮灭可以通过铁电极化反转控制。我们还研究了WTe2/CrCl3双层异质结中不同磁场条件下斯格明子的不同自旋构型之间的转换，通过操控磁场和温度斯格明子可以在Neel型和双半子型之间相互转换，而且在电流驱动下，它们的移动速度和霍尔角有较大的差别。