Skyrmion磁基元与材料微结构关联的原位电子全息研究

Understanding the correlations between magnetic skyrmions and the microstructural characteristics of the crystals that host skyrmions is a key issue for fundamental research and practical applications of novel type magnetic materials. In some non-centrosymmetric crystals, the combination of structural chirality and strong spin-orbit coupling gives rise to a variety of noncollinear magnetic ordered structures. Among them, magnetic skyrmion has attracted great attention due to their non-trivial topological properties and stability. Here we focus on two important questions: (1) effects of crystallographic defects on magnetic skyrmions, such as the pinning effect of magnetic skyrmion by crystal defects, and the effect of crystallographic-magnetic chirality reversal at crystal grain boundaries; (2) Dimensional confinement effect of magnetic skyrmions in magnetic nanostructures, specifically, the magnetic evolution, their related topological properties and energetic stability in confined nanostructured geometries. In this project, we use the advanced micro/nano fabrication techniques to prepare a set of magnetic nanostructures that host magnetic skyrmions. Then we propose to use in situ Lorentz transmission electron microscopy (LTEM) to directly observe the magnetic skyrmion formation and evolution under varying temperature and applied magnetic field. Moreover, we use off-axis electron holography (OAEH) to quantitatively determine the fine skyrmionic spin textures in magnetic nanostructures. The resolved spin textures will be correlated with the material microstructures to provide important information about the relationship between the magnetic functions and the material microstructures. Through in situ and high-resolution microscopy studies using both LTEM and OAEH, we aim to establish a strong correlation between the magnetic functions of skyrmions and their underlying crystallographic microstructures.

Skyrmion磁结构与晶体微观结构的关联是新型功能磁材料和器件研发的重要问题。 非中心对称立方结构的螺旋磁体出现的Skyrmion磁结构具有优异的拓扑稳定性，在存储信息和自旋电子学等领域备受关注。本项目重点研究两个问题：(1)晶格缺陷对Skyrmion磁结构的影响。比如，晶界结构手性反转对Skyrmion磁序的影响；(2)Skyrmion在磁纳米结构中的空间受限效应。特别关注Skyrmion磁序随外磁场和温度变化的演变规律，探索其演变过程的拓扑属性和稳定性。拟利用微纳加工技术制备形状、尺寸可控的磁体纳米结构，通过洛伦兹透射电子显微观察得到系统的实验结果，并进一步利用电子全息术定量分析Skyrmion磁结构，确定材料晶格缺陷和空间受限效应对Skyrmion磁结构形成和稳定机制的影响。系统地分析Skyrmion基元磁功能与材料微结构的关联可为研发磁信息存储及自旋电子学器件提供重要实验基础。

磁斯格明子（Skyrmion）结构与晶体微观结构的关联是新型功能磁材料和器件研发的重要问题。本项目以螺旋铁磁体FeGe和CoMnZn为主要材料体系，利用微纳加工技术制备特定尺度和形状的磁纳米结构，通过原位洛伦兹电镜技术和电子全息术，重点研究了（1）晶格材料缺陷态对斯格明子磁结构的影响，包括晶格缺陷对磁畴壁的钉扎，晶界原子排列手性对斯格明子磁序的影响；（2）磁纳米结构中斯格明子磁序的空间受限效应，获得了斯格明子磁结构随外磁场和温度变化的演变规律，探究了其演变过程的拓扑特性和稳定性；（3）磁斯格明子的表面态和边缘态的精确测定，通过离轴电子全息技术研究FeGe纳米带的手性边缘态，揭示了不同温度下磁场驱动的手性边缘态的形成及随外加磁场的演化，定量分析边缘态随外场变化的穿透深度。此外，通过分析螺旋态和斯格明子态的平面内磁化强度分布来定量测定样品饱和磁化强度，发现斯格明子态的磁化强度值相对螺旋态的值较低。我们将这一差异归因于手性表面态的存在，从而确证了的包含表面态的三维斯格明子磁结构模型。该实验研究提供了磁性手征边界态的直接定量测量手段，突出了先进电子全息技术在纳米结构中复杂拓扑磁结构研究的应用。. 随着研究课题的不断深入，我们进一步拓展了研究材料体系和研究内容，包括范德瓦尔斯二维铁磁体Fe3GeTe2和哈斯勒合金MnNiGa、Mn3Pt2Sn2。我们利用时间分辨洛伦兹电镜技术对磁畴结构优异的时空分辨能力，研究了超快激光脉冲激发后MnNiGa的磁序的动力学过程，包括磁畴的四次翻转过程，首次在正空间图像上捕捉到了磁畴的超快退磁过程，展示了超快洛伦兹电镜在超快磁动力学研究领域中的巨大潜力。同时，本项目进一步优化了微纳加工技术制备形状尺寸可控的磁纳米结构，拓展了洛伦兹透射电子显微原位加载技术，开发了新型的相移电子全息术。总之，本项目利用高分辨电子显微术对多个磁体系的磁斯格明子基元磁功能特性进行了系统研究，所获得的研究成果为进一步探索磁信息存储及自旋电子学器件研发打下了重要的实验基础。