手性磁孤子的调控和自旋动力学研究

Chiral magnetic soliton is a non-collinear exotic magnetic configuration, which is a quasi-particle spin-texture with the shape of soliton. The chiral magnetic soliton can move, transmit, and form chiral magnetic soliton lattice in materials, which is of great importance for the application in the spintronics. However, the formation mechanism, the spin dynamics for the motion and transmission are still open, which refers to the complex competition and balance between multiple kinds of energy (magnetic exchange energy, DM interaction, spin fluctuation, and thermal fluctuation) and multiple kinds of degree of freedom (spin, orbit, lattice, and charge). This is of great significance for the study of correlated electrons systems in condensed matter physics. The Lorenz microscope is a direct and intuitive means to study the magnetic configuration of the quasi-particle and periodicity, while the magnetic resonance and magnetic-optical devices are powerful means to investigate the spin-dynamics. This program is designed to study the magnetic configuration, periodicity, and spin-dynamics of the chiral magnetic soliton utilizing the means of Lorentz microscope, magnetic resonance, and ultrafast magnetic-optics through the modulation of external magnetic field, electronic field, and pressure. The performance of this research project is to reveal the transmission and motion laws of the chiral magnetic soliton, clarify its formation mechanism, and supply solid physical basis for its application in spintronics.

手性磁孤子是一种奇异的非共线磁结构，它是自旋按螺旋方式排列形成的“孤子状”“准粒子”磁构型。手性磁孤子可以在材料中运动、传播、形成周期性的磁孤子晶格等，因此在自旋电子学器件方面具有重要的应用价值。手性磁孤子的形成机理、运动传播的自旋动力学机制等尚不清楚，其涉及多种能量（磁交换能、DM作用能、自旋涨落、热涨落等）和多种自由度（自旋、轨道、晶格、电荷等）之间复杂的竞争和平衡，对于凝聚态关联电子体系的研究具有重要物理意义。洛伦兹电镜是研究“准粒子”磁构型和周期性磁结构直接和直观的手段，而磁共振和磁光测量是研究自旋动力学的有效手段。本项目拟通过磁场、电场、压力等手段对手性磁孤子进行调控，借助洛伦兹电镜、磁共振、超快磁光等测量手段，对其磁构型、周期结构、自旋动力学进行研究，揭示其运动传播的规律，阐明其形成的机理，探索该体系中多种能量和多种自由度之间竞争耦合机制，为其在自旋电子学中的应用奠定物理基础。

手性磁孤子是一种“孤子状”、“准粒子”拓扑磁构型，在自旋电子学方面具有潜在的应用价值。本项目首先聚焦于新型手性磁孤子材料的探索和制备，通过大量实验探索，发现了一种新型长周期（250nm）手性磁孤子材料MnNb3S6。其次，选取了三种代表性的手性磁孤子材料进行深入研究，分别是迄今发现的最长周期的MnNb3S6、最短周期的YbNi3Al9、以及最高Tc的CrTa3S6。通过微波、磁场、离子掺杂、插层等手段对手性磁孤子进行调控。进而，利用磁性测量、顺磁共振、铁磁共振等对其晶格动力学和自旋动力学进行研究。研究发现，手性磁孤子对微波具有特定的响应信号，并建立了相应的能级劈裂理论模型。此外，利用磁场的调控，对手性磁孤子的临界行为和磁熵进行了研究，揭示了不同材料中的自旋相互作用类型，获得了代表性手性磁孤子材料的磁相图，揭示了各种有序相之间的竞争、共存等。相图的建立，标志着对手性磁孤子的全面的认识。这些研究结果为手性磁孤子的应用提供了物理依据。. 本项目的研究成果主要以科研论文的形式发表于学术期刊。已发表与本项目相关的论文为24篇（均致谢该基金，Nature Index期刊13篇），其中Inorganic Chemistry 1 篇，Physical Review B 7 篇，Applied Physics Letters 5 篇，Science China-Physics, Mechanics & Astronomy 1篇，New Journal of Physics 2 篇，其它论文8篇。在该项目的支持下，已培养研究生3名，其中已毕业博士生1名，硕士生2名。在读研究生6名，包括博士4名，硕士2名。同时，建立了广泛的国内外学术联系，如获得“一带一路青年科学家项目（ANSO）”，外聘一名外籍青年科学家加入该项目。项目负责人于2020年获得中科院合肥物质科学院“优秀研究生导师”称号。