低维螺旋磁体中Skyrmions相形成及稳定机制研究

具有非中心对称立方结构的螺旋磁体，由于同时存在自旋、轨道、晶格多种自由度的关联与耦合，表现出多种磁有序结构，其中类似于磁涡旋结构的Skyrmions相具有拓扑稳定和粒子特性，在信息存贮领域有着潜在应用价值，最近受到人们特别关注。但是在三维块材中，Skyrmions相只存在于居里温度附近一个小的温度-磁场区域内，限制了对其进一步研究和它的实际应用。当材料由三维块材变为二维薄膜时，此温度-磁场区域能有效扩大。本项目拟利用微、纳加工方法进一步把二维螺旋磁体薄膜加工成形状、尺寸可控的纳米结构，通过对不同形状、尺寸样品的磁电阻测量和磁畴结构直接观察，确定空间受限效应对Skyrmions相形成和稳定机制的影响，期望通过二维薄膜的横向控制进一步扩大Skyrmions相存在的温度-磁场区域。

在本项目中,我们对低维螺旋磁体中Skyrmions(S)相的形成以及稳定性进行了深入的研究。我们基于描述螺旋磁体模型，通过理论计算以及计算机模拟提出在纳米盘螺旋磁体中存在一种具有S核轴对称的磁涡旋构型，其中S核的半径可以通过控制盘的半径进行调控。特别地，在一些纳米盘半径范围内，此磁涡旋可能是体系的基态。同时，我们还详细研究了纳米盘螺旋磁体的自旋排列随外磁场的变化规律。计算结果表明所有的自旋构型都可以简单的看成边缘螺旋态与体态之间的叠加，其排列类似于空间受限的第二类超导体的涡旋结构。尤其重要的是，我们通过测量单根MnSi纳米线的磁输运特性，国际上首先报道了在一维螺旋磁体材料中存在高度稳定的S相，其存在温区从居里温度～32K延伸到我们仪器所能达到的最低温度～2K。以此为基础,我们发现当纳米线的直径和单个S相比拟时候,传统的电输运方法确定可以确定纳米线中单个S的产生以及湮灭。这些理论以及试验结果为S相在微型化自旋电子学器件中的应用提供重要的实验基础。