低维螺旋磁体中Skyrmions相自旋转移矩效应以及电子输运特性研究

Spin polarized current is one of the most efficient methods that control the spin dynamics in magnetic materials. However, it generates large ohmic heating due to the high current density required to move the domain walls of ferromagnetic materials. Which undoubtedly limited its real application. More recently, a novel type of topologically stable vortex-like spin textures, called skyrmions, have been discovered in helimagnets, which might prove new opportunity to solve the ohmic heating effect. One of its prominent features is that the threshold current density to move a skyrmion is much smaller than the current density required to move the domain walls in ferromagnetic materials. On the other hand, the rich non-collinear spin textures in helimagnets might combine the zero-resistance supercurrent of superconductors with the ferromagnets, further building the no-ohmic heating superconducting spintronics device. In this project, based on our previous work, we attempt to study the effect of spatial confinement on the spin transfer torque in low dimensional helimagnets, especially nanowires and nano stripe, and the interaction between superconductor and helimagnetic nanowires.The proposed work is expected to shed new light on the nature of low-dimensional helimagnets,further provide chance of exploring new quantum devices based on skyrmions materials.

自旋极化电流是对磁性材料的自旋动力学行为进行有效调控的重要手段之一。然而在传统的磁性材料中，诱导磁性介质磁化反转或磁畴运动需要高的电流密度，易产生大的焦耳热，实际上阻碍了自旋转移矩效应的广泛应用。螺旋磁体中拓扑稳定的磁结构Skyrmions相的出现为解决相关器件的焦耳热问题带来了新的契机。一方面，一个非常小的电流密度即可驱动螺旋磁体中Skyrmions运动；另一方面，螺旋磁体中丰富的非共线磁结构有可能在低维螺旋磁体中实现超导与铁磁共存，从而构建低能耗的超电流自旋电子学器件。本项目即以低维螺旋磁体MnSi纳米线、纳米条带为研究对象，以前期的工作积累为基础，前瞻性的开展空间受限对螺旋磁体中Skyrmions态的自旋转移矩效应的影响,以及一维螺旋磁体纳米线与超导体之间近邻效应的研究。相关的成果将加深和丰富人们对低维螺旋磁体的认识,并将为未来开发新型量子器件提供重要的实验依据。

磁斯格明子是一种具有粒子特性的磁结构，具有尺寸小、稳定性高和易操控等系列优点，有望作为数据载体构建变革性磁存储器。本项目针对推进斯格明子实用化的一个关键问题：纳米结构功能材料中斯格明子物性调控。计划以低维斯格明子材料纳米线、纳米条带为研究对象，以前期的工作积累为基础，前瞻性的开展空间受限体系下斯格明子物性研究。在本项目的支持下，取得了以下系列成果：1）材料设计及制备：在斯格明子器件的设计中，数据的存储是通过调控纳米结构中斯格明子来实现。因此，制备斯格明子纳米材料是构建存储器件的前提。但是由于磁斯格明子的尺寸一般都在百纳米量级，纳米结构中磁斯格明子研究一直是本领域最具挑战性的研究工作之一。申报人经过近两年时间的实验摸索，发展出了一套完整的制备纳米盘、纳米条带等器件相关的纳米结构功能材料的新方法、新工艺（专利公布号：CN106908290A；CN108387598A）。2）物性调控：在铁锗纳米结构功能材料中实现了斯格明子“靶态”、 “团簇”、 “单链”及“磁浮子”系列和器件密切相关磁结构的直接观测及磁场调控。研究工作被选为《物理评论快报》焦点文章，被《自然·物理》进行了报道，这些实验结果大大扩展了人们对纳米材料中斯格明子物性的理解，为斯格明子器件的设计与制备提供了实验基础。3）材料功能开发：在锰硅纳米结构功能材料中实现了磁斯格明子的磁电信号转换，为磁斯格明子存储器的“读”功能提供了一种切实可行的方法。项目支持发表高水平研究论文11篇，其中包括一篇Nature Nanotechnology，三篇Nature Communications，二篇Physical Review Letters，一篇PNAS。研究工作唤起了人们对锰硅纳米材料及电探测磁斯格明子的研究兴趣，对本领域的发展以及未来斯格明子的应用具有重要的意义。