螺磁体纳米结构中表面型磁拓扑结构磁浮子的产生和稳定性研究

Magnetic chiral bobber, a novel surface topological spin texture, can be taken as the information bit applied in future spintronics device. However, at present, less experimental study was reported, creation of magnetic bobber is important. In this project, combining the micromagnetic simulation with in-situ magnetic imaging by Lorenz microscope, we attempt to study the creation and stability of magnetic bobber in FeGe chiral magnet. With the detailed studies of motion of magnetic topological states driven by a polarized current in a stepped nanostructure, the effects of nanostructure size, temperature and external field on the creation of magnetic bobber and the interconversion between magnetic skyrmion and magnetic bobber will be obtained. Meanwhile, the structure confined effects on the stability of magnetic bobber also will be explored. The proposed work is expected to provide chance of exploring future spintronic devices based on magnetic chiral bobber.

磁浮子是近期被实验证实具有粒子特性的三维涡旋状拓扑磁结构，有望作为新的信息存储单元来构建自旋电子学器件。然而磁浮子的相关的实验研究刚刚开始，如何产生磁浮子是实验研究的难点。本项目拟以螺磁材料FeGe为研究对象，通过微磁学计算模拟与原位电镜观测结合方式，系统开展纳米结构中磁浮子的可控产生和稳定性研究。项目将通过深入研究电流驱动磁拓扑态在台阶型纳米结构中的运动，获得纳米结构尺寸、温度和外磁场等对电流驱动磁浮子产生和不同磁拓扑态间相互转换的影响规律，同时进一步探索空间受限效应对磁浮子稳定性的影响。项目的实施将为基于磁浮子的自旋电子学器件构筑提供重要的实验和理论依据。

拓扑自旋电子学器件有潜力实现更优异的器件性能，是未来磁信息器件的发展方向之一。本项目以斯格明子、磁浮子等新型拓扑磁结构为研究对象，系统开展它们在磁受限系统中的稳定性和电学操控研究。我们发现布洛赫点与晶格势的钉扎效应诱导的电流可控磁浮子霍尔效应，提出了台阶型纳米结构中电流可控斯格明子管-磁浮子相互转变的方案；我们发展了透射电镜差分相位分析磁表征技术，解释了中心对称非手性磁体中复杂磁结构起源，将其归因于斯格明子和磁泡的三维特性，并提出了一种斯格明子-磁泡基磁存储器方案，我们在实验上实现了单斯格明子-磁泡链，在受限磁纳米盘中，我们也实现了单斯格明子-磁泡的磁场调控拓扑磁转变；我们基于磁性材料的温度诱导自旋重取向基本物性，实验观测到了一种新型磁涡旋态“靶态磁泡”，并进一步通过改变磁盘直径和磁场来实现靶态磁泡环数自由度的调控；我们基于电流的自旋转移力矩效应和热效应，实现了可靠且可逆的电流操控斯格明子-磁泡拓扑磁转变；我们在实验上观测到了具有任意整数拓扑荷的新型磁结构“磁束子”，并实现了电流驱动磁束子的一致运动。我们实验发现的靶态磁泡、磁束子和三维斯格明子等新型磁结构可作为新的信息载体，服务于拓扑自旋电子学器件的开发；我们实现的电流驱动斯格明子-磁浮子相互转变、斯格明子-磁泡拓扑磁转变和磁束子的一致运动等，为器件的读、删和运算等操作提供了新的设计方案。在项目资助下，申请人以第一作者/通讯作者身份在Nature Nanotechnology、National Science Review、Advanced Materials、ACS Nano、Acta Materialia、PRB和APL等期刊发表学术论文13篇，以其它主要作者身份发表学术论文2篇。