与Skyrmion态相关的螺旋磁有序体系的磁性研究

Magnetic Skyrmion state, which is a vortex-like spin texture, has potential applications in the spintronic storage area due to its low-energy, high-density, and high-stability, etc. It is speculated that the storage density based on the Skyrmion state would be increased by about 20 times than the conventional spintronic storage devices. However, the existence only in particular temperature-magnetic range has greatly limited its applications as spintronic devices. Therefore, the increase of the existing temperature and stability of the Skyrmion state is urgent. Essentially, Skyrmion state is formed due to the competition and balance of the spin, lattice, and orbit, which leads to fascinating physical phenomena such as magnetic quantum phase transition, anomalous Hall effect, non-Fermi liquid behavior, tricritical point, etc. Thus, Skyrmion materials are also ideal systems for researching strongly correlated electronic mechanisms. This research project is designed to discover the micro-magnetic mechanism through the critical behavior investigation, to clarify the spin dynamics through the electronic spin resonance study, and to explore the coupling between spin, lattice, and orbit through the extreme conditions. The performance of this project is to explore the mechanisms of increasing the existing temperature and stability of the Skyrmion state from the fundamental physics area, which will supply solid physical basis for its real applications.

磁性Skyrmion态是一种涡旋状的自旋有序构型，由于其具有低能耗、高密度、高稳定等优点，在自旋电子存储方面具有重要的潜在应用价值，预期存储密度可比目前磁存储设备提高约20倍。然而，由于其只存在于特定的磁场温度区间，限制了在自旋电子器件方面的应用，因此提高Skyrmion态的存在温度、探索其稳定机制是亟待研究的问题。本质上，Skyrmion态是自旋、晶格、轨道等多种相互作用竞争和平衡的结果，这导致了Skyrmion材料具有磁量子相变、反常霍尔效应、非费米液体、三重临界等新奇的物理现象，因此也是研究电子强关联的理想体系。本项目拟通过临界行为的分析揭示其微观磁性、通过电子自旋共振的研究澄清Skyrmion晶格运动的自旋动力学、通过极端条件等手段探索其中自旋、轨道、晶格相互作用的物理机制。本项目的开展，从基础物理方面探索提高Skyrmion态的存在温度和稳定性的本质机制，为其应用提供物理依据。

由于拓扑保护、纳米尺寸、低电流驱动等特性，使得基于磁性斯格明子的自旋电子存储器件具有高稳定性、高存储密度、低能耗等优点，在自旋电子学方面具有重要的潜在应用价值。本项目研究了与磁斯格明子相关的拓扑磁有序材料，包括磁性斯格明子、双斯格明子、手性磁孤子等拓扑磁结构材料。本项目首先致力于探索新型磁斯格明子材料，发现了新型氮化物斯格明子材料Fe1.5-xCoxRh0.5Mo3N。进而对接近室温斯格明子材料FeGe的相变和临界行为进行了研究，揭示了其磁性涨落和相互作用。通过对Fe1-xCoxSi的自旋耦合作用的探索，揭示了自旋维度在斯格明子形成过程中的作用。对双斯格明子Gr11Ge19体系的研究，揭示了其中的磁性相互作用。此外，对手性拓扑磁孤子材料CrNb3S6，YbNi3Al9等的磁性和磁熵进行了研究，并建立了相图。从实验上发现了一种新的手性磁孤子材料MnNb3S6，对其磁性耦合作用进行了研究并建立了相图。最近的研究表明，通过电流脉冲或磁场可以在二维铁磁体系Fe3GeTe2和Cr2Ge2Te6中诱导出斯格明子，并形成六边形的斯格明子晶格。我们对其各向异性的磁性耦合进行了研究，发现了磁场依赖关系的自旋耦合作用。此外，本项目还对其它相关的磁场诱导相变材料进行了研究。通过本项目的开展，对与斯格明子相关的螺旋磁有序材料进行了系统的研究，揭示了自旋维度在斯格明子形成中的作用，分析了自旋耦合作用机制，建立了相图等。这些研究结果，揭示了微观自旋互作用，澄清了斯格明子晶格运动的自旋动力学，探索了自旋、轨道、晶格、电荷等自由度之间相互作用的物理机制，从物理方面认识了斯格明子相的形成、稳定、相互作用的机理，对其器件化应用具有重要意义。. 本项目的开展达到了预定的研究目标，建立的广泛的国际和国内合作，培养了4名研究生。本项目的研究成果主要以科研论文的形式发表于学术期刊。已发表的与本项目相关的学术论文32篇（均致谢该课题），包括Physical Review Applied 1 篇，Physical Review B 7篇（Nature Index）【其中一篇被选为Rapid Communication，一篇被选为Kaleidoscope】，New Journal of Physics 1篇，受《物理学报》邀请撰写综述论文1篇，其它SCI论文22篇。