基于六角MnNiGa合金的新型磁斯格明子行为及机理研究

Magnetic skyrmions, with topological nanometric spin textures, are key materials for future low-energy-cost and high-density magnetic storage devices. In this project, we focus on the new skyrmion system based on the centrosymmetric Ni2In-type MnNiGa hexagonal alloy that we recently identified. Through the abnormal magnetic properties, platform-like magnetoresistance, topological hall effect, with the direct domain-observation method of Lorentz TEM, we study the behavior and formation mechanism of the magnetic skyrmions in MnNiGa. From the aspects of Mn-Mn atom distance, asymmetric anti-sites, magnetic crystalline anisotropy, and by the way of first principles studies, micromagnetic simulations, in combination of experimental designs, we try to uncover the micro mechanism of the formation of the special magnetic structure and skyrmions in Mn-Ni-Ga and related systems, aiming at elucidating the physical mechanism of the magnetic skyrmion formation, providing theoretical basis for the design of new skyrmion materials.

具有拓扑纳米自旋结构的磁格明子材料是未来低能耗、高密度磁存储器件的关键材料。本项目以我们近期开发出来的具有中心对称晶体结构六角MnNiGa新型磁斯格明子体系为研究对象，针对其中的反常磁性、磁电阻平台、拓扑霍尔效应等特殊输运行为，结合洛伦兹电镜对磁畴的直接观察，对该合金体系磁斯格明子的行为特征和形成机制进行深入研究。具体思路是从Mn-Mn原子间距、非中心对称反占位和磁晶各向异性三个方面出发，通过第一性原理计算、微磁学模拟和原子占位设计，研究MnNiGa及相似体系中反常非共线磁基态的形成与调控，揭示该合金体系特殊磁结构和磁斯格明子形成的微观机理，最终阐明磁斯格明子形成的物理机制，为设计新型磁斯格明子材料提供理论依据。

磁性斯格明子是纳米尺度的涡旋磁畴结构，具有尺寸小、高拓扑稳定性和低临界驱动电流的特点，被认为是制造下一代高密度磁性存储器件的理想材料。本项目围绕具有中心对称晶体结构的六角MnNiGa磁斯格明子体系，首先结合第一性原理计算和微磁学模拟，揭示了六角Ni2In型MnMX合金中Mn-Mn交换作用主导的非共线铁磁基态和磁晶各向异性主导的斯格明子磁畴的形成机制。基于理论结果，设计了六角Mn-Co-Sn, Mn-Cu-Ga以及Mn(Ni, Cu)Ga系列成分，在其中观测到了自旋玻璃、非共线磁转变以及自旋重取向等现象。利用中子衍射分析和洛伦兹电镜观察结合，阐明了MnMX中磁结构的特征，建立了微观磁结构和斯格明子磁畴之间的关联，为开发更多的磁斯格明子材料提供了理论依据。对六角Mn3Ga、MnFeGe进行薄膜生长，观测到代表斯格明子磁畴的拓扑霍尔效应，揭示了在低维材料中磁斯格明子的一些特征。在以上研究的基础上，扩展了对二维范德瓦尔斯磁性材料Fe3GeTe2中存在的磁斯格明子的研究，发现了一种新的倾角拓扑霍尔效应。综上，本项目研究的结果系统阐明了MnNiGa及相关体系中磁斯格明子的形成机制，对开发新类型的磁斯格明子材料具有重要的借鉴意义，其中多样的磁性和霍尔效应特性丰富了磁斯格明子的内涵，进一步拓宽了其应用范围。