多铁性Neel型skyrmion体系中新型磁电激发的理论研究

Multiferroic Neel-type skyrmion is a newly discovered novel multiferroic topological spin structure. Multiferroic skyrmions, which simultaneously exhibit topological protection and magnetoelectric coupling, would have a revolutionary impact on the development of the spintronics devices, and have attracted increasing interests in recent years. In this project, we will study the new quantum effects due to the dynamical magnetoelectric coupling in the multiferroic Neel-type skyrmion based on the effective model. We firstly explore the topological magnetoelectric coupling effects in the multiferroic Neel-type skyrmion using microscopic and macroscopic techniques, and examine the role of the spin, orbit, and lattice degrees of freedom and the topological structure in the model. Using analytical and numerical means, we then explore the dynamical magnetoelectric coupling effects and clarify their topological magnetoelectric excitation, including electromagnon excitation mode and nonreciprocal directional dichroism in a microwave frequency regime. It is aim to reveal the novel properties of the magnetoelectric excitations and to predict new quantum effects in the multiferroic Neel-type skyrmions.

多铁性Neel型skyrmion是一类最新发现的新颖的多铁性拓扑结构。多铁性skyrmion由于其同时体现拓扑保护和磁电耦合特性，其研究有望为自旋电子学带来革命性的推动，近几年受到了国际社会的广泛关注。本项目希望通过建立描述新型多铁性Neel型skyrmion体系的有效磁电耦合模型，研究该类体系中因动态磁电耦合作用而衍生的新量子现象。我们将基于微观和唯象两方面，综合考虑自旋、轨道、晶格以及拓扑结构等因素，研究各个因素对磁电耦合影响的相对重要性，探索适应于Neel型skyrmion的拓扑磁电耦合机制。基于建立的有效模型，通过解析和数值模拟方法，研究体系的动态磁电耦合问题，揭示其拓扑磁电激发特性，包括电磁振子激发模式和微波区域的非互易方向二色性，努力去揭示和预言一些新奇的量子现象。

多铁性磁skyrmion是一类拓扑稳定的纳米尺寸的自旋织结构，由于其独特的拓扑性质和可操控性，已成为当前研究焦点并且是构造高效的下一代自旋器件的新兴领域。同时，磁skyrmion的自旋激发也引起了人们广泛的注意力，其在未来磁振子学有潜在的应用。然而，对于广泛存在的Neel型skyrmion，电场调控skyrmion自旋集体激发还鲜有研究，仍然是一个理论上的难题。在本项目中，我们探讨了电场对Neel型skyrmion的自旋激发的可能效应。为此，我们采用了一种电场诱导的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用磁电耦合机制。我们证明了Neel型skyrmion晶体中的电致自旋激发，并确定了skyrmion晶体的三个本征模式。我们预言，通常在微波磁场激发试验中缺失的高能量的顺时针旋转模式能够在微波电场试验中轻易地被观察到，因为交流电场激发能产生较强的谱线强度。此外，我们还发现，同一个本征模式被电场和磁场激发遵循相同的选择定则，这一点与Bloch型skyrmion情形完全不同。这些研究发现将对未来基于skyrmion的磁振子电子学器件利用电场来调控skymion自旋激发提供全新的思路。