阻挫磁体中磁性斯格明子的三维磁构型、稳定性与动力学研究

Magnetic skyrmions are topological protected, nano-scale swirling spin textures. Due to their small size, high stability, particle like dynamics and low driving current density, skyrmions have been proposed as promising candidates for next generation information storage devices. Although most recent studies of skyrmion are focused on 2D chiral magnets and magnetic thin films, it has been demonstrated that skyrmion could also exists in other material systems. For example, skyrmions with various new type spin textures have been experimentally observed in frustrated magnet. The complicated interactions in frustrated magnet provide a vast platform to study the topological properties of skyrmion. Furthermore, in 3D system, the addition of a third spatial dimension brings more diverse and complicated skyrmion spin textures. Thus, the combination of 3D system and frustrated system could lead to an ideal playground for studying the rich topological physics of skyrmion. However, the experimental results have still not been well explained, and a theoretical model that could precisely describes the 3D frustrated magnet has not yet been established. In this research, we plan to study the spin configuration, stability and dynamical property of skyrmions in 3D frustrated magnets by using atomistic spin dynamics simulation. This study could provide a clear understanding of the explicit spin configuration, origin, stability and dynamical property of skyrmion in frustrated magnets. Furthermore, this research paves the way towards skyrmion based 3D spintronics.

磁斯格明子是纳米尺度的拓扑保护涡旋磁结构，具有尺寸小，稳定性高及低驱动电流等特点，有望应用于下一代磁信息存储器。目前斯格明子的研究多侧重于二维手性磁体及磁性薄膜，最近研究表明磁斯格明子还可以稳定存在于阻挫材料中。相对于传统的手性磁体，阻挫磁体具有复杂的近邻相互作用，再考虑三维体系，可以产生更多的磁构型，为研究斯格明子的拓扑性质提供了一个广阔的平台。然而，现有阻挫磁体中磁斯格明子的实验结果还没有得到完整的理论解释，能够完整精确的描述三维阻挫磁体的理论模型还有待建立。该研究中，我们拟采用原子尺度自旋动力学模拟来研究三维阻挫磁体中斯格明子的磁构型、稳定性及动力学性质。相关工作不仅可以为理解阻挫磁体中磁斯格明子的磁构型、起源、稳定性及动力学性质提供理论依据，还能为磁斯格明子的应用及三维自旋电子学的发展提供思路和方向。

磁斯格明子是一种新型纳米尺度拓扑磁孤子，其具有稳定性好、尺寸小、易电流驱动等特点，有望应用于新一代高密度高能效的自旋电子学器件中。由于其拓扑非平庸性，斯格明子也具有非常新奇的物理现象，比如涌现电磁动力学。斯格明子的研究目前主要集中于手性二维体系中，其三维磁结构和动力学性质相关的研究还很匮乏。最近的理论和实验表明斯格明子也可以存在于具有中心对称性（无特定手性）的阻挫磁体中。由于阻挫磁体具有复杂的近邻相互作用，并没有特定的手性，再考虑三维体系，其中可能存在多种斯格明子/反斯格明子磁构型及更高阶的三维拓扑磁孤子，为研究拓扑磁结构提供了一个良好的平台。然而当前阻挫体系中尚没有针对斯格明子及其三维结构和高阶拓扑磁孤子的精确理论模型，对其中拓扑磁孤子的结构和动力学性质也仍然不甚明了。本项目围绕以上问题开展了研究工作并获得了以下成果：.1.确立了手性磁体、磁性多层膜和阻挫磁体中斯格明子的三维磁结构及高阶拓扑磁孤子的存在。在三维阻挫磁体中，发现了一种高阶拓扑磁孤子-磁霍普夫子，其与斯格明子具有紧密的联系，可以理解为一个扭曲360度头尾相接的斯格明子管。在这些磁结构的基础上，探索了阻挫磁体及手性磁体中斯格明子三维磁构型和霍普夫子的稳定存在条件。.2.电流驱动磁霍普夫子三维自旋动力学的。通过理论模型和自旋动力学模拟，确定了霍普夫子具有平移、旋转和缩放三种运动模式。同时，这三种运动模式互相耦合，使霍普夫子具有丰富的三维自旋动力学。.3.靶斯格明子的三维磁共振模式。在受限纳米柱系统中得到了靶斯格明子的三维磁共振模式，除厚度方向均一共振模式外，靶斯格明子还具有多种厚度方向调制的共振模式。.4.交换偏置磁性多层膜中斯格明子三维磁结构及单个斯格明子精确写入。揭示了磁性多层膜中斯格明子的磁结构具有三维调制，其在多层膜顶层和底层具有手性相反的奈尔型结构。同时提出了利用局部交换偏置调制诱导精确产生斯格明子的方法。.我们关于阻挫磁体、手性磁体和磁性多层膜中拓扑磁结构的研究表明斯格明子具有丰富的三维磁结构，同时一种新型的高阶拓扑磁孤子-磁霍普夫子也可以稳定存在于相关体系内。这些三维磁结构可以展现出丰富新奇的物理现象，为后续相关三维拓扑磁孤子的探索和三维自旋电子学的发展提供了新的思路和手段。