近期，中科院強磁場(chǎng)科學(xué)中心陸輕鈾研究員、馮啟元博士與南京師范大學(xué)馬付勝教授合作，利用自制的磁力顯微鏡系統（MFM）, 在人工合成反鐵磁多層膜中發(fā)現了一種可在幾開(kāi)爾文到300開(kāi)爾文（K）寬溫區穩定存在，能規則排列且尺寸連續可調的新型人工磁斯格明子（Magnetic Skyrmion）結構。相關(guān)研究結果發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》上。

　　磁斯格明子，一種非易失的拓撲保護自旋結構，具有拓撲保護穩定性、尺寸小、以及低電流驅動(dòng)等優(yōu)良特性，被認為是未來(lái)高密度、高速度、低能耗存儲器件的信息載體，受到廣泛關(guān)注。然而，其實(shí)用化道路依然充滿(mǎn)挑戰。例如，現可供挑選的磁斯格明子材料體系依然太少，其中，能使其在室溫存在的體系更是屈指可數。此外，現研究多集中在磁斯格明子的自發(fā)形成是雜亂無(wú)序的鐵磁多層膜或單晶體系中。到目前為止，一個(gè)能使磁斯格明子規則排列、室溫穩定存在且尺寸可控的研究平臺尚有待開(kāi)發(fā)。這既是磁斯格明子的研究熱點(diǎn)也是其實(shí)用化的關(guān)鍵所在。

　　南京師范大學(xué)馬付勝教授課題組利用人工合成反鐵磁多層膜中的反鐵磁層間耦合相互作用原理，通過(guò)微納加工，構造出一組不同尺寸，規則排列的人工合成反鐵磁圓盤(pán)結構。馬教授等人通過(guò)光學(xué)、磁電阻等測量方法，觀(guān)測到預示磁斯格明子連續過(guò)渡變化的信號曲線(xiàn)。

　　此時(shí)，實(shí)現微觀(guān)層次上磁斯格明子的直接觀(guān)測顯得尤為重要。但該工作非常困難，首先，該光刻樣品僅幾十微米。這意味著(zhù)成像儀器要在強磁場(chǎng)環(huán)境和4.5-300K的寬溫區范圍內能實(shí)現對樣品的連續精準定位，儀器要求高；其次，磁斯格明子本身磁信號微弱，尺寸小，觀(guān)測難度大。這些不利因素使微觀(guān)測量極具挑戰。

　　為此，中科院強磁場(chǎng)中心陸輕鈾研究員、馮啟元博士自制了一套可定位MFM，該儀器可在4.2-300K溫度范圍內連續定位20μm器件樣品且實(shí)現磁結構的成像與調控。利用該MFM，不僅成功觀(guān)測到磁斯格明子，且系統研究了一組樣品中磁斯格明子形成、縮小、和坍塌等完整演化過(guò)程。同時(shí)，觀(guān)測發(fā)現，該體系中的磁斯格明子能在幾K到300K范圍內穩定存在，且尺寸能調節到低于100納米。

　　該工作，為磁斯格明子的研究提供了直接微觀(guān)動(dòng)力學(xué)圖像，為后續新型器件實(shí)用化設計提供了新的材料體系參考。

　　文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201907140。

　　圖 （a）室溫下MFM測量結果（b）樣品磁化狀態(tài)隨磁場(chǎng)的演變 （c）-(d) 實(shí)驗與微磁學(xué)模擬結果 （e） 樣品結構示意圖