磁斯格明子
编者按：
以操控电子电荷自由度为基础的微纳电子学已经从根本意义上改变了人们的生活, 其成功依赖于人们对电子电荷自由度的充分利用. 电子除了电荷属性还有自旋属性, 二者类比促使人们思考利用电子自旋属性丰富器件的功能, 从而形成了以巨磁电阻效应为典型代表的磁电子学, 也称之为自旋电子学. 近几年, 人们又利用电子的非平庸几何位相, 使其产生新奇拓扑物性, 从而实现新型拓扑量子器件. 巨磁电阻效应以及拓扑相变和拓扑态的发现分别于2007 年和2016 年被授予了诺贝尔物理学奖. 这必将刺激人们进一步发展基于自旋和拓扑自由度的量子调控科学与技术。然而, 一般来说, 磁性材料研究主要集中于对电子自旋的调控. 对拓扑自由度的研究主要集中于凝聚态物理之中. 二者之间的协同工作一直没有一个很好的载体. 2009 年, 德国科学家在一类称为螺旋磁体中发现了一种称之为磁斯格明子的涡旋状磁结构. 不同于传统的铁磁/反铁磁, 磁斯格明子涡旋状自旋的磁矩排列导致其具有非平庸拓扑特性, 从而赋予其独特的磁电耦合特性, 驱动磁斯格明子运动的电流密度比传统的磁畴小6 个数量级. 同时, 磁斯格明子还具有局域的粒子特性, 其尺寸最小可达3 nm, 相比当前的磁畴存储技术, 采用磁斯格明子为基本存储单元的存储器件的存储密度将提高至少一至两个数量级.
这些优点使得利用斯格明子作为基本的逻辑或者存储单元构建自旋电子学器件已经成为当前自旋电子学领域研究的前沿和热点之一. 然而, 总体来看, 在推动器件的实用化上, 所面临的问题还依然很多. 比如到目前为止, 可供选择的磁斯格明子材料的种类较少, 在室温下能稳定磁斯格明子的材料更是稀少. 另外, 原型器件的问世还有许多关键的问题有待理论论证与实验展示. 对于和器件密切相关的纳米结构单元的物性了解也还不充分, 具有更高精度、更快响应速度的磁结构的探测关键技术问题还有待突破等等. 当前, 这一领域的研究正在快速地向实现斯格明子存储功能的方向发展, 国际竞争比较激烈. 日本、法国、美国、德国等都在加大投入进行相关器件的研究, 以期望在未来的应用方面占据一席之地. 相对来说, 国内涉足这一领域起步较晚, 但发展趋势良好. 鉴于该领域关键问题研究的挑战性与紧迫性, 物理学报特组织“磁斯格明子”专题, 邀请部分活跃在本领域前沿各方面的专家, 从材料、器件设计、力学性能研究、模拟、实验和理论诸方面, 以不同的视角综述介绍最新进展、问题、现状和展望. 希望本专题的文章能够为国内磁斯格明子及相关领域研究的学术交流做一些贡献, 进一步促进此研究领域的发展.
2018, 67 (13): 131201.
doi: 10.7498/aps.67.20180619
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磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构.斯格明子主要存在于非中心对称的手性磁性材料以及界面镜面对称性破缺的磁性薄膜材料中.因具有实空间的非平庸拓扑性，磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性，例如拓扑霍尔效应，新兴电磁动力学等，为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台.另一方面，由于其具有尺寸小，高稳定性和易操控的特性，磁性斯格明子在未来高密度，低能耗，非易失性计算和存储器件中也具有潜在应用.现阶段的研究已经初步发现一系列磁斯格明子材料，并证明能够通过电流操控室温下稳定的磁性斯格明子，但是室温下单个斯格明子的精确产生、湮灭以及探测在实验上仍具有挑战性.本文阐述了磁性斯格明子的基础理论以及动力学研究现状，并对现有的斯格明子材料和斯格明子的产生，湮灭以及探测方法进行了总结，最后还对未来磁性斯格明子的物理理论研究以及应用发展中的挑战和机遇进行了讨论.
2018, 67 (13): 130701.
doi: 10.7498/aps.67.20180243
摘要 +
纳米级分辨率的磁场测量和成像是磁学中的一种重要研究手段.金刚石中的单个氮-空位点缺陷电子自旋作为一种量子传感器，具有灵敏度高、原子级别尺寸、可工作在室温等诸多优势，灵敏度可以达到单核自旋级别，空间分辨率达到亚纳米.将这种磁测量技术与扫描成像技术结合，能够实现高灵敏度和高分辨率的磁场成像，定量地重构出杂散场.这种新型的磁成像技术可以给出磁学中多种重要的研究对象如磁畴壁、反铁磁序、磁性斯格明子的结构信息.随着技术的发展，基于氮-空位点缺陷的磁成像技术有望成为磁性材料研究的重要手段.
2018, 67 (13): 137101.
doi: 10.7498/aps.67.20180342
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根据密度泛函理论的第一性原理计算了具有非中心反演对称的异质结-（Zn，Cr）S（111）体系的原子结构和电子结构.Cr原子之间通过第一层S原子传递磁性相互作用.结合广义布洛赫条件，又进一步计算了反方向的自旋螺旋能量与波矢的色散关系E（q）与E（-q）.E（q）与E（-q）能量之差反映了-（Zn，Cr）S（111）的S层与Cr层之间空间反演对称性破缺引起的DMI的大小.通过海森伯相互作用（HBI）模型与Dzyaloshinsky-Moriya作用（DMI）模型拟合第一性原理计算值，得到了Cr原子间各近邻的HBI参数J1-J4与DMI参数d1，d2.在-（Zn，Cr）S（111）中，Cr原子间的耦合为M型反铁磁.DMI参数d1为-0.53 meV，为顺时针手性DMI，在-（Zn，Cr）S（111）界面上有可能会产生斯格明子.本文计算表明，磁性和非磁性半导体界面有可能存在DMI，为理论研究和磁存储技术的进步开拓一个新的方向.
2018, 67 (13): 137501.
doi: 10.7498/aps.67.20180137
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介绍了与斯格明子相关的螺旋磁有序体系的临界行为.首先阐述了连续相变中的临界现象、临界指数、标度律、普适性等概念；随后介绍了磁相变体系中几种临界指数的获得方法，包括直流磁性迭代法、磁熵变法；进而，分析了几类与斯格明子相关的螺旋磁有序体系的临界行为.MnSi是典型的斯格明子材料，临界指数显示其磁性行为符合三重临界行为.MnSi的临界行为揭示：外磁场可以抑制这一体系在零场下的一级相变，使其转变为二级相变，从而在螺旋磁有序、锥形磁有序、顺磁相的三相交汇点形成三重临界点.斯格明子体系FeGe和Cu2OSeO3的临界行为符合三维海森伯相互作用，表明它们的磁性行为主要是由近邻的各向同性的自旋耦合作用所决定；而Fe1-xCoxSi和新发现的斯格明子体系Fe1.5-xCoxRh0.5MoN的临界行为显示Co掺杂可以有效地调制其中的磁性耦合.对螺旋磁有序体系的临界行为研究表明，尽管这些体系都表现出类似的斯格明子态，但是它们的磁性耦合机制却大不相同，并且其耦合机制可以受到外界手段的调制.最后，根据普适性原理和标度方程，阐述了一种构建磁场诱导相变体系在临界温度附近H-T相图的方法.
2018, 67 (13): 137502.
doi: 10.7498/aps.67.20172709
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在带有垂直各向异性的二维三角晶格磁体中，当同时存在最近邻铁磁性和第三近邻反铁磁性交换作用时，垂直于膜面施加外磁场会使体系内自旋沿着非共面的方向排列，甚至出现拓扑稳定的斯格明子自旋结构.基于蒙特卡罗模拟方法，本文研究了在该二维阻挫磁体中，竞争性交换作用和外磁场对斯格明子直径的影响.与常规非中心对称的手性磁体中的斯格明子性质类似，外磁场会磁化斯格明子外围自旋而减小斯格明子直径.但是，磁体中反铁磁性交换作用的增强会整体压缩斯格明子.本文结合自旋波理论和蒙特卡罗模拟，首次量化了此类阻挫磁体中斯格明子的直径.结果表明：在弱的反铁磁性交换作用磁体中，斯格明子直径随磁场增大而快速线性减小；随着反铁磁性交换作用的增大，斯格明子直径随外磁场增大的减小变得相对平缓，但在强磁场下也会造成斯格明子直径的加速减小；随着反铁磁性交换作用的增强，斯格明子在不同外磁场下的直径的最大值和中值均从逐渐减小到渐趋稳定，而直径的最小值则从快速减小到表现出很大的涨落.这些现象都可以通过分析斯格明子在不同交换作用和外磁场下的构型和磁能变化加以解释.该项工作阐明了在中心对称的阻挫磁体中斯格明子直径的可调节性，不仅完善了我们对斯格明子本身物理机理的认识，同时也为发展基于斯格明子的新一代存储和逻辑器件提供了理论支撑.
2018, 67 (13): 137508.
doi: 10.7498/aps.67.20180513
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磁性斯格明子由于拓扑的保护性，具有很高的稳定性和较小的临界驱动电流，有望应用于未来的赛道存储器件中.而在中心对称体系，由于偶极作用的各向同性，磁泡的拓扑性和螺旋度都呈现出多样性的特征.其中非平庸的磁泡即等同于磁性斯格明子.我们通过近期实验结果，结合微磁学模拟的方法，发现在中心对称体系中磁斯格明子的拓扑性会受到体系垂直各向异性的调控.另外在加磁场的演变过程中，会很大程度上依赖于基态畴的畴壁特性.磁场的倾斜或者一定的面内各向异性也会改变磁斯格明子的形态.通过对材料的基态磁结构及磁各向异性的调节，辅助以面内分量的控制，可以对基态磁畴、进而对磁斯格明子的拓扑性实现调控.这对磁斯格明子在电流驱动存储器件中的应用具有重要意义.
2018, 67 (13): 131202.
doi: 10.7498/aps.67.20180369
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在铁磁/非磁金属异质结中，界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用会诱导诸如磁性斯格明子等手性磁畴壁结构的形成.当巡游电子通过手性磁畴壁结构时，会获得一个贝里相位，而相应的贝里曲率则等效于一个外磁场，它将诱导额外的霍尔效应，即拓扑霍尔效应.拓扑霍尔效应是当前磁性斯格明子和自旋电子学研究领域的热点之一.本文由实空间贝里相位出发，简要介绍了拓扑霍尔效应的物理机制；然后着重讨论了铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应，包括磁性多层膜中和MnGa/重金属双层膜中的拓扑霍尔效应.这两种结构都可以通过改变材料的厚度、种类、生长方式等调控界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，从而有效地调控磁性斯格明子和拓扑霍尔效应.
2018, 67 (13): 131203.
doi: 10.7498/aps.67.20180426
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斯格明子（skyrmion）磁序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.本文利用微纳加工技术制备了形状、尺寸均可控的磁纳米结构，通过电子全息术观察定量地分析了斯格明子磁序结构，确定了材料晶格缺陷和空间受限效应对斯格明子磁结构形成和稳定机制的影响，系统地分析了斯格明子基元的磁功能与材料微结构的关联.文中主要探讨了两个问题：1）斯格明子在磁纳米结构中的空间受限效应.重点研究斯格明子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；2）晶格缺陷对斯格明子磁结构的影响，重点考察晶界原子结构手性反转对斯格明子磁序的影响.这些研究结果可为研发以磁斯格明子为基元的磁信息存储器及自旋电子学器件提供重要实验基础.
2018, 67 (13): 131204.
doi: 10.7498/aps.67.20180549
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磁性斯格明子由于具有拓扑保护、尺寸小、驱动电流密度低等优异的属性，有望作为未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的信息载体.为了满足器件中信息写入和读取的基本要求，需要在室温下实现斯格明子的精确产生、操控和探测.该综述简要介绍最近我们针对上述问题取得的一系列研究进展，包括：1）证明可以通过控制磁性薄膜材料的垂直磁各向异性在室温下产生斯格明子，并进一步在基于反铁磁的薄膜异质结中发现了室温、零磁场下稳定存在的斯格明子；2）证明能够利用电流产生的自旋轨道力矩操控斯格明子，并进一步制备出一种基于斯格明子的原理型器件，实现了利用电学方式产生和操控数量可控的斯格明子.
2018, 67 (13): 136201.
doi: 10.7498/aps.67.20180251
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近年来，人们在一些具有手性相互作用的磁性体材料及薄膜中成功观测到具有非平凡拓扑性质的二维自旋结构，称作磁性斯格明子.在大部分情况下，磁性斯格明子自发地聚集成一种晶格结构，称作斯格明子晶格.孤立的斯格明子由于其奇特的拓扑性质以及优异的电流驱动性质等局域化特征受到人们的广泛关注.与此相对，斯格明子晶格作为一种新颖的宏观磁性相，可能与材料固有的多场耦合性质发生相互作用进而引发许多奇特的宏观物理现象乃至新性质.在此范畴内，人们发现由于手征磁体内禀的磁弹耦合，斯格明子晶格不但对材料的力学性质产生影响，而且在外力作用下自身具备层展的弹性性质.本文对相关现象进行梳理，并基于一种针对B20族手征磁体磁弹耦合效应普遍适用的热力学唯象模型，逐一简述对于不同类型的磁弹现象如何建模分析，进而给出其中一部分现象的实验与理论结果比对.最后，对这一领域的发展提出几个可供进一步探索的方向.
2018, 67 (13): 137504.
doi: 10.7498/aps.67.20180165
摘要 +
磁斯格明子作为一种具有拓扑保护性质的准粒子受到了磁学与磁性材料领域科学家的广泛关注.本文对磁斯格明子的拓扑性质进行了概述，回顾了磁斯格明子的存在条件以及运输特性，综述了近年来利用微磁学模拟研究的磁斯格明子激发、操控、微波磁场响应以及基于磁斯格明子的器件设计，主要包括赛道存储器、自旋纳米振荡器、晶体管和逻辑门.通过本文的综述，希望为磁斯格明子在未来信息领域的应用提供参考.
2018, 67 (13): 137506.
doi: 10.7498/aps.67.20180235
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具有非平庸拓扑性的新型磁结构斯格明子，由于其拓扑稳定性、尺寸小、低电流驱动等方面的显著优势，有望应用于自旋电子学储存器件.拓扑和凝聚态物理学的结合，使得斯格明子展现出很多有趣的拓扑物理现象，吸引了众多的研究兴趣，同时这些性质也是其电流驱动下动力学特点的重要影响因素.本文从斯格明子的拓扑物理学基础及其自旋电子学器件应用相关动力学两个方面介绍了相关研究进展.在拓扑物理基础方面，介绍了斯格明子的拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应以及自旋轨道转矩等拓扑性质，由此讨论了斯格明子的动力学性质及其计算方法；在动力学方面，从非均匀电流驱动生成斯格明子、电流驱动下的稳定输运、产生湮灭过程的人工控制几个赛道存储应用关心的问题简要地介绍了相关微磁学模拟研究最新进展.
2018, 67 (13): 137509.
doi: 10.7498/aps.67.20180419
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报道了阻挫型磁体Fe3Sn2单晶中宽温域跨室温磁斯格明子的发现及其赛道型微纳器件的初步探索.通过合金化设计和实验，突破晶体取向生长和克服包晶反应两个关键技术难关，制备出了高质量的Fe3Sn2单晶.原位洛伦兹电子显微镜结果表明，在该材料体系中，磁斯格明子具有多种拓扑结构，并可以在一定磁场下相互转化.基于高质量的Fe3Sn2单晶，利用聚焦离子束技术，进一步制备出了600 nm宽并具有磁斯格明子单链排列的赛道性微纳器件.实验结果表明，该单链磁斯格明子具有极高的温度稳定性：单个磁斯格明子的尺寸以及相邻两个磁斯格明子之间的距离可以在室温到630 K宽温区内保持不变.宽温域跨室温磁斯格明子材料Fe3Sn2的发现及单链赛道型微纳器件的成功制备，从材料和器件两个方面推进了磁斯格明子材料的实用化.
2018, 67 (13): 131205.
doi: 10.7498/aps.67.20180554
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在过去的半个世纪中，微电子技术一直沿着著名的摩尔定律快速发展，当前已经达到单芯片可集成上百亿晶体管.然而随着晶体管尺寸的缩小，因量子效应所产生的漏电流及其所导致的热效应使得这一定律遇到瓶颈.自旋电子技术由于引入了电子自旋这一全新的自由度，将有望大幅度降低器件功耗，突破热效应枷锁.斯格明子是一种具有拓扑保护的类粒子自旋结构，有望成为下一代自旋电子信息载体，引起了从物理到电子领域的广泛关注.由于其特殊的拓扑性质，斯格明子具备尺寸小、结构稳定、驱动阈值电流小等诸多优点，室温下斯格明子的成核、输运及探测进一步验证了其广泛的应用潜力，由此诞生了研究相关器件及应用的斯格明子电子学.本综述从电子学角度首先介绍斯格明子的基础概念及发展现状、理论及实验研究方法，重点阐述斯格明子器件的写入、调控及读取功能，介绍了一系列具有代表性的新型信息器件；最后，结合斯格明子电子学现状分析了目前所面临的发展瓶颈以及未来的应用前景.
2018, 67 (13): 137503.
doi: 10.7498/aps.67.20180031
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斯格明子是一种拓扑稳定的手性自旋结构，凭借其在磁性赛道存储器和自旋电子器件方面的巨大应用潜力而受到研究人员的广泛关注.为了使斯格明子能够更好地应用于磁性赛道存储器，研究斯格明子在纳米条带中的运动行为就变得非常重要.本文主要研究了存在周期性应变的纳米条带中铁磁斯格明子和反铁磁斯格明子在电流驱动下的运动行为.研究结果表明：周期性应变使得驱动电流存在一个临界电流密度，只有当电流密度大于临界电流密度时斯格明子才能够在纳米条带中连续移动.临界电流密度随应变振幅的增加而增加，随应变周期的增加而减小.铁磁斯格明子在周期性应变的调制下会产生周期性运动，轨迹为波浪式，其横向速度受到边界的影响，而纵向速度则与应变梯度成正比.反铁磁斯格明子在周期性应变调控下运动方向不变，但其移动速度则剧烈变化.
2018, 67 (13): 137505.
doi: 10.7498/aps.67.20180894
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磁斯格明子是一种具有准粒子特性的拓扑纳米磁畴壁结构.由于磁斯格明子具有较好的稳定性和新奇的动力学特性，并可被磁场、电场、电流等方式调控，有望成为高密度、低耗能、非易失性信息存储及逻辑运算的新兴信息载体.自2009年磁斯格明子首次被实验观测到至今，已有多种基于磁斯格明子的器件概念和原型器件被提出.本文对基于磁斯格明子应用的研究进展进行综述，对现阶段几种具有代表性的磁斯格明子器件应用进行简要介绍、分析和总结，包括基于磁斯格明子的赛道存储器件、逻辑计算器件、类晶体管功能器件和纳米级微波振荡器；同时阐述了几种可能的通过磁斯格明子表达二进制信息元的方法；并展望了磁斯格明子的其他潜在应用以及未来基于磁斯格明子器件应用的发展方向.
2018, 67 (13): 137507.
doi: 10.7498/aps.67.20180931
摘要 +
斯格明子（skyrmion）的概念最早是由英国的粒子物理学家Tony Skyrme提出，它被用来描述粒子的一个状态，是一种拓扑孤立子.磁性斯格明子是一种具有拓扑行为的新型磁结构，其空间尺寸为纳米量级，空间距离从纳米到微米量级可调；其存在温度涵盖从低温、室温到高温的宽温区；其材料体系不仅包括早期发现的低温区B20型中心对称破缺的铁磁体和螺旋磁有序的弱铁磁材料，也包括近期发现的室温及以上的中心对称六角结构磁性MnNiGa金属合金和磁性薄膜/多层膜体系.利用磁性斯格明子的拓扑磁结构可以实现类似于自旋阀或者磁性隧道结中的自旋转移矩效应，即外加电流可以驱动斯格明子，其临界电流密度比传统翻转磁性多层膜体系中磁矩的电流密度（一般为107 A/cm2）要低5个数量级，约为102 A/cm2，该临界值远低于硅基半导体技术中沟道电流密度的上限，在未来的磁信息技术中具有广泛的应用前景.本综述简单介绍了磁性斯格明子的发展历程，归纳总结了磁性斯格明子的材料体系，介绍了观察磁性斯格明子的实验手段，重点介绍了多场（磁场、电流、温度场）调控作用下中心对称MnNiGa合金和Pt/Co/Ta磁性多层膜体系中磁性斯格明子的产生、消失以及外场调控演变等动态行为.
2018, 67 (13): 137510.
doi: 10.7498/aps.67.20180764
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磁性斯格明子是拓扑稳定的自旋结构，它的尺寸小，驱动电流阈值小，被广泛认为是下一代磁性存储的基本单元.斯格明子的主要优势在于它奇特的动力学性质，特别是它能够与传导电子相互作用，在低电流密度驱动下可以在赛道上稳定地运动.本文结合磁性斯格明子赛道存储的最新研究成果，对斯格明子在赛道上的写入、驱动和读出三个方面进行了较为详细的综述.重点介绍了注入自旋极化电流这一最常见的驱动方法，分析了斯格明子在赛道上的堵塞和湮没现象，探讨了斯格明子霍尔效应及其可能造成信号丢失的危害和相关的解决方法，并在此基础上详细介绍了几种斯格明子塞道存储的优化设计方案.最后总结了磁性斯格明子赛道存储面临的一些挑战.
