磁性多層膜與亞鐵磁合金中零場斯格明子的特性、形成機(jī)制及應(yīng)用前景探究

磁性多層膜與亞鐵磁合金中零場斯格明子的特性、形成機(jī)制及應(yīng)用前景探究一、引言1.1研究背景與意義在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，探索新型拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)一直是研究的前沿?zé)狳c(diǎn)。零場斯格明子作為一種具有獨(dú)特拓?fù)湫再|(zhì)的自旋結(jié)構(gòu)，自被發(fā)現(xiàn)以來，便吸引了眾多科研人員的目光。斯格明子最初由英國物理學(xué)家托尼?斯格明（TonySkyrme）在20世紀(jì)60年代為描述原子核結(jié)構(gòu)而提出，在之后的研究中，其在磁性系統(tǒng)中被廣泛關(guān)注。它是一種納米尺度上的拓?fù)浞€(wěn)定準(zhǔn)粒子，具有渦旋狀的自旋構(gòu)型，其拓?fù)潆姾擅枋隽舜啪氐摹袄p繞”方式，賦予了斯格明子拓?fù)浞€(wěn)定性。在磁性材料中，斯格明子的形成與Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）密切相關(guān)，這種相互作用存在于非中心對(duì)稱材料中，尤其是具有強(qiáng)自旋軌道耦合的材料，它在相鄰自旋間產(chǎn)生不對(duì)稱交換相互作用，促使斯格明子形成特有的扭曲手性構(gòu)型。同時(shí)，不同磁性相互作用之間的競爭，如鐵磁交換相互作用和各向異性，在一定條件下也能穩(wěn)定納米尺度的斯格明子相。零場斯格明子的研究不僅極大地豐富了我們對(duì)凝聚態(tài)物理中拓?fù)洮F(xiàn)象的理解，還為自旋電子學(xué)的發(fā)展開辟了新的道路。自旋電子學(xué)旨在利用電子的自旋自由度來存儲(chǔ)和處理信息，與傳統(tǒng)電子學(xué)僅依賴電荷不同，它有望解決傳統(tǒng)電子設(shè)備中能耗高、尺寸縮小受限等問題。零場斯格明子憑借其獨(dú)特性質(zhì)，在自旋電子學(xué)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面來看，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度和能耗的要求日益提高。傳統(tǒng)的磁性存儲(chǔ)技術(shù)逐漸接近其物理極限，難以滿足不斷增長的需求。零場斯格明子具有納米級(jí)尺寸和拓?fù)浞€(wěn)定性，可作為信息載體，其存在或不存在能表示二進(jìn)制的1或0，有望實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。例如，在磁性賽道存儲(chǔ)器中，斯格明子沿納米線排列，通過施加電流移動(dòng)，其位置對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這種存儲(chǔ)方式在數(shù)據(jù)密度、速度和能效上可能超越現(xiàn)有技術(shù)。在邏輯運(yùn)算領(lǐng)域，基于零場斯格明子的邏輯器件有望實(shí)現(xiàn)更低的能耗和更高的運(yùn)算速度。斯格明子能夠被電流、電場等多種方式操控，利用其特性設(shè)計(jì)的邏輯門，可通過控制斯格明子的產(chǎn)生、移動(dòng)和湮滅來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，為構(gòu)建下一代高性能計(jì)算芯片提供了可能。此外，零場斯格明子在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域也具有潛在應(yīng)用價(jià)值。神經(jīng)形態(tài)計(jì)算旨在模仿人類大腦的信息處理方式，實(shí)現(xiàn)高效的智能計(jì)算。斯格明子的動(dòng)力學(xué)行為與生物神經(jīng)元中的某些特性具有相似之處，可用于構(gòu)建類腦計(jì)算系統(tǒng)，為人工智能的發(fā)展提供新的硬件基礎(chǔ)。磁性多層膜和亞鐵磁合金作為研究零場斯格明子的重要材料體系，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。磁性多層膜通過不同材料層的組合和界面調(diào)控，可精確調(diào)節(jié)DMI和其他磁性參數(shù)，有利于實(shí)現(xiàn)室溫下穩(wěn)定的零場斯格明子。亞鐵磁合金則由于其特殊的磁結(jié)構(gòu)和磁相互作用，為研究零場斯格明子的形成機(jī)制和性質(zhì)提供了新的視角。對(duì)這兩種材料體系中零場斯格明子的研究，有助于深入理解斯格明子的物理特性，推動(dòng)其在自旋電子學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，磁性多層膜和亞鐵磁合金中零場斯格明子的研究在國內(nèi)外都取得了顯著進(jìn)展，成為凝聚態(tài)物理和自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在磁性多層膜方面，國外研究起步較早且成果豐碩。德國漢堡大學(xué)的RolandWiesendanger研究組通過分子束外延技術(shù)生長出具有界面反演對(duì)稱破缺的重金屬/超薄磁性薄膜，利用原位自旋極化掃描隧道顯微鏡成像技術(shù)，在低溫和強(qiáng)磁場環(huán)境下，于Ir/Fe/Pd體系中發(fā)現(xiàn)了5nm大小的奈耳態(tài)斯格明子，并通過調(diào)控Fe的厚度，觀察到約為0.5nm的奈耳態(tài)斯格明子，這為斯格明子在高密度存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。美國麻省理工學(xué)院的GeoffreyBeach教授課題組和法國CNRS的AlbertFert教授課題組分別獨(dú)立證明了通過調(diào)節(jié)不同層的物理特性和參數(shù)，以及層間的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），可以增強(qiáng)有效的DMI，從而在室溫下獲得穩(wěn)定的斯格明子。例如，利用Pt/Co（DMI相互作用大小約為1.4mJ/m2）以及Ir/Co（DMI相互作用大小約為1.0mJ/m2）這兩個(gè)界面相反的DMI相互作用，在超薄Co薄膜上下兩個(gè)相反界面進(jìn)行組合，成功找到了室溫下約50nm大小的斯格明子。國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)也在磁性多層膜中零場斯格明子的研究中取得了重要突破。清華大學(xué)的趙永剛研究組利用基于磁控濺射技術(shù)生長的典型斯格明子體系[Ta/CoFeB/MgO]×15多層膜結(jié)構(gòu)，通過微加工得到不同尺寸的微米級(jí)受限圓盤陣列，探索出一種在受限結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生能在室溫、零磁場下穩(wěn)定的單個(gè)斯格明子包的方法。通過小角度飽和傾斜磁場磁化合適尺寸的圓盤得到“網(wǎng)狀”疇結(jié)構(gòu)，再在面外磁場誘導(dǎo)下將其逐步轉(zhuǎn)變成斯格明子包結(jié)構(gòu)，并且撤去磁場后斯格明子包結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定。該研究不僅探索了斯格明子包的相關(guān)性質(zhì)，還通過微磁學(xué)仿真分析了受限圓盤的特殊邊界條件對(duì)于斯格明子包產(chǎn)生和零場穩(wěn)定性的機(jī)制，從能量角度解釋了斯格明子包拓?fù)鋽?shù)對(duì)于圓盤尺寸的依賴性。在亞鐵磁合金中零場斯格明子的研究方面，國外研究團(tuán)隊(duì)在材料體系探索和物理性質(zhì)研究上取得了一系列成果。日本的研究人員在某些亞鐵磁合金體系中，通過精確控制材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，成功觀測到零場下穩(wěn)定存在的斯格明子，并對(duì)其磁動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)亞鐵磁合金中的斯格明子具有與傳統(tǒng)鐵磁材料中斯格明子不同的動(dòng)力學(xué)行為，這為理解斯格明子的形成機(jī)制和拓?fù)湫再|(zhì)提供了新的視角。美國的科研團(tuán)隊(duì)則利用先進(jìn)的同步輻射技術(shù)，對(duì)亞鐵磁合金中斯格明子的電子結(jié)構(gòu)和磁相互作用進(jìn)行了研究，揭示了斯格明子與材料中電子態(tài)之間的相互關(guān)系，為進(jìn)一步調(diào)控斯格明子的性質(zhì)提供了理論基礎(chǔ)。國內(nèi)科研人員也在積極開展亞鐵磁合金中零場斯格明子的研究工作。中國科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了新型亞鐵磁合金體系中斯格明子的穩(wěn)定性和形成條件。他們發(fā)現(xiàn)，通過引入特定的雜質(zhì)原子或缺陷，可以有效地調(diào)節(jié)亞鐵磁合金中的磁相互作用，從而實(shí)現(xiàn)零場下斯格明子的穩(wěn)定存在。此外，該團(tuán)隊(duì)還對(duì)亞鐵磁合金中斯格明子的操控進(jìn)行了研究，探索了利用電場、電流等外部刺激來控制斯格明子運(yùn)動(dòng)和湮滅的方法。當(dāng)前研究雖然取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足之處。在磁性多層膜中，如何進(jìn)一步優(yōu)化材料體系，實(shí)現(xiàn)更低溫度甚至室溫下零場斯格明子的穩(wěn)定存在，以及如何精確控制斯格明子的尺寸、形狀和分布，仍然是亟待解決的問題。在亞鐵磁合金方面，對(duì)于斯格明子與材料中其他元激發(fā)（如磁振子、聲子等）之間的相互作用研究還不夠深入，這對(duì)于理解斯格明子的動(dòng)力學(xué)行為和應(yīng)用潛力具有重要影響。此外，無論是磁性多層膜還是亞鐵磁合金，零場斯格明子的大規(guī)模制備和集成技術(shù)仍處于起步階段，距離實(shí)際應(yīng)用還有很長的路要走。1.3研究內(nèi)容與方法本研究旨在深入探索磁性多層膜和亞鐵磁合金中零場斯格明子的特性、形成機(jī)制及操控方法，具體研究內(nèi)容與采用的方法如下：1.3.1研究內(nèi)容磁性多層膜中零場斯格明子的特性研究：制備具有不同結(jié)構(gòu)和成分的磁性多層膜，如[Ta/CoFeB/MgO]×n、[Pt/Co/Ir]×m等體系。通過改變各層材料的厚度、界面性質(zhì)以及層間耦合強(qiáng)度，精確調(diào)控Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的大小和方向。利用洛倫茲透射電子顯微鏡（LTEM）、磁力顯微鏡（MFM）等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對(duì)多層膜中零場斯格明子的尺寸、形狀、拓?fù)潆姾傻忍匦赃M(jìn)行原位觀測和表征。研究斯格明子在不同溫度、磁場條件下的穩(wěn)定性和演化規(guī)律，分析其與材料結(jié)構(gòu)和磁相互作用之間的內(nèi)在聯(lián)系。亞鐵磁合金中零場斯格明子的形成機(jī)制研究：采用熔煉、濺射等方法制備新型亞鐵磁合金材料，通過控制合金的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和缺陷密度，探索零場斯格明子在亞鐵磁合金中的形成條件。運(yùn)用第一性原理計(jì)算和微磁學(xué)模擬相結(jié)合的方法，從原子尺度和宏觀尺度研究亞鐵磁合金中磁相互作用的類型和強(qiáng)度，揭示斯格明子的形成機(jī)制。分析斯格明子與材料中其他磁結(jié)構(gòu)（如磁疇、磁渦旋等）之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，以及材料的晶體對(duì)稱性、自旋軌道耦合等因素對(duì)斯格明子形成的影響。零場斯格明子的操控方法研究：在磁性多層膜和亞鐵磁合金中，研究利用電流、電場、溫度梯度等外部刺激對(duì)零場斯格明子進(jìn)行操控的方法。通過施加自旋極化電流，研究電流驅(qū)動(dòng)下斯格明子的運(yùn)動(dòng)特性，包括運(yùn)動(dòng)速度、方向和穩(wěn)定性等，分析電流與斯格明子之間的相互作用機(jī)制，探索降低斯格明子運(yùn)動(dòng)能耗的有效途徑。利用電場調(diào)控材料的磁各向異性和DMI，實(shí)現(xiàn)對(duì)斯格明子的產(chǎn)生、湮滅和移動(dòng)的精確控制。研究溫度梯度對(duì)斯格明子的影響，探索利用熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)斯格明子操控的新方法?；诹銏鏊垢衩髯拥脑推骷O(shè)計(jì)與性能研究：基于對(duì)磁性多層膜和亞鐵磁合金中零場斯格明子特性和操控方法的研究，設(shè)計(jì)并制備基于斯格明子的原型器件，如磁性賽道存儲(chǔ)器、邏輯門等。對(duì)原型器件的性能進(jìn)行測試和評(píng)估，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度、讀寫速度、能耗等關(guān)鍵指標(biāo)。優(yōu)化器件的結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，提高器件的性能和穩(wěn)定性，為零場斯格明子在自旋電子學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。1.3.2研究方法實(shí)驗(yàn)研究方法材料制備：采用磁控濺射、分子束外延等薄膜制備技術(shù)，精確控制磁性多層膜的生長過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)各層材料厚度、成分和界面質(zhì)量的精準(zhǔn)調(diào)控。對(duì)于亞鐵磁合金，利用熔煉、鑄造等方法制備塊狀樣品，再通過機(jī)械加工和熱處理等工藝獲得所需的材料性能。結(jié)構(gòu)表征：使用X射線衍射（XRD）、高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）等技術(shù)對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌進(jìn)行表征，確定材料的晶格參數(shù)、晶體取向和界面結(jié)構(gòu)等信息。磁性測量：運(yùn)用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）、超導(dǎo)量子干涉儀（SQUID）等設(shè)備測量材料的磁滯回線、磁化強(qiáng)度隨溫度和磁場的變化關(guān)系等宏觀磁性參數(shù)。利用洛倫茲透射電子顯微鏡（LTEM）、磁力顯微鏡（MFM）等技術(shù)對(duì)材料中的磁疇結(jié)構(gòu)和斯格明子進(jìn)行直接觀測和成像，獲取斯格明子的尺寸、形狀、拓?fù)潆姾傻任⒂^磁性信息。輸運(yùn)測量：通過四探針法等技術(shù)測量材料的電阻、霍爾效應(yīng)等輸運(yùn)性質(zhì)，研究斯格明子對(duì)材料電學(xué)性能的影響，以及電流驅(qū)動(dòng)下斯格明子的運(yùn)動(dòng)特性。理論研究方法第一性原理計(jì)算：基于密度泛函理論（DFT），利用VASP、CASTEP等計(jì)算軟件，從原子尺度計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)、磁相互作用和DMI等物理量。通過計(jì)算不同材料體系和結(jié)構(gòu)下的能量變化，預(yù)測斯格明子的形成條件和穩(wěn)定性，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。微磁學(xué)模擬：采用OOMMF、MuMax3等微磁學(xué)模擬軟件，從宏觀尺度模擬材料中的磁疇結(jié)構(gòu)和斯格明子的演化過程?？紤]材料的磁各向異性、交換相互作用、DMI等因素，建立合理的微磁學(xué)模型，模擬斯格明子在不同外部條件下的運(yùn)動(dòng)和操控行為，分析各種因素對(duì)斯格明子特性的影響。二、零場斯格明子概述2.1斯格明子的基本概念斯格明子最初由英國物理學(xué)家托尼?斯格明（TonySkyrme）于1962年在研究核物理時(shí)提出，用于描述原子核的結(jié)構(gòu)，是量子場論中某些場方程的拓?fù)浣?，可看作是場論框架?nèi)拓?fù)浞€(wěn)定的孤子，其穩(wěn)定性源于拓?fù)涮匦?，難以通過連續(xù)變形為平凡構(gòu)型而不跨越能量屏障。在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，特別是磁性材料中，斯格明子是一種局域化磁矩（自旋）形成的渦旋狀結(jié)構(gòu)，這些自旋圍繞中心核心旋轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)出類似漩渦的構(gòu)型。其與其他磁性結(jié)構(gòu)的顯著區(qū)別在于拓?fù)潆姾?，拓?fù)潆姾墒且粋€(gè)整數(shù)，用于量化從斯格明子中心向外移動(dòng)時(shí)自旋旋轉(zhuǎn)的次數(shù)，描述了磁矩之間的“纏繞”方式。從拓?fù)湫再|(zhì)角度來看，斯格明子的拓?fù)浞€(wěn)定性具有重要意義。以二維斯格明子為例，其拓?fù)潆姾蒕可通過積分公式Q=\frac{1}{4\pi}\intd^2r\;\mathbf{m}\cdot(\frac{\partial\mathbf{m}}{\partialx}\times\frac{\partial\mathbf{m}}{\partialy})來計(jì)算，其中\(zhòng)mathbf{m}是單位磁矩矢量，x和y是空間坐標(biāo)。這種拓?fù)浞€(wěn)定性使得斯格明子一旦形成，很難被小的擾動(dòng)破壞或改變，除非擾動(dòng)足夠強(qiáng)以克服能量屏障。在實(shí)際的磁性材料中，這意味著斯格明子能夠在一定條件下穩(wěn)定存在，為其在自旋電子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。根據(jù)結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性，斯格明子主要分為布洛赫型和奈爾型。布洛赫型斯格明子具有渦旋狀構(gòu)型，其自旋在垂直于斯格明子核心的平面內(nèi)平滑旋轉(zhuǎn)，通常出現(xiàn)在非中心對(duì)稱的體相磁性材料中，如B20化合物，這類材料由于缺乏反演對(duì)稱性，表現(xiàn)出較強(qiáng)的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），促使布洛赫型斯格明子的形成。奈爾型斯格明子的自旋則向內(nèi)或向外徑向指向中心，形成類似刺猬的結(jié)構(gòu)，常見于薄膜結(jié)構(gòu)中，界面引起的DMI在穩(wěn)定這類構(gòu)型中起著關(guān)鍵作用。此外，還有一些特殊類型的斯格明子，如反斯格明子，其拓?fù)潆姾膳c普通斯格明子相反，繞線行為也相反；雙斯格明子由兩個(gè)綁定的斯格明子組成，已在一些特定磁性材料中被觀察到。不同類型的斯格明子在磁性材料中展現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)，為研究人員探索新型自旋電子學(xué)器件提供了多樣化的選擇。在磁性材料中，斯格明子的形成與多種因素密切相關(guān)。其中，Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）是關(guān)鍵因素之一，這種相互作用存在于非中心對(duì)稱材料中，尤其是具有強(qiáng)自旋軌道耦合的材料。在DMI作用下，相鄰自旋間產(chǎn)生不對(duì)稱交換相互作用，導(dǎo)致斯格明子形成特有的扭曲手性構(gòu)型。從能量角度來看，DMI能量項(xiàng)E_{DMI}=-\sum_{i,j}\mathbf{D}_{ij}\cdot(\mathbf{S}_i\times\mathbf{S}_j)，其中\(zhòng)mathbf{D}_{ij}是DMI相互作用矢量，\mathbf{S}_i和\mathbf{S}_j是相鄰自旋，該能量項(xiàng)對(duì)斯格明子的穩(wěn)定起到重要作用。同時(shí)，不同磁性相互作用之間的競爭，如鐵磁交換相互作用傾向于使自旋對(duì)齊，而各向異性可能偏愛特定自旋排列，在一定條件下，如外加磁場或溫度變化時(shí)，這些競爭力能夠穩(wěn)定納米尺度的斯格明子相。2.2零場斯格明子的特性2.2.1穩(wěn)定性零場斯格明子在磁性多層膜和亞鐵磁合金中的穩(wěn)定性是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，它與材料的微觀結(jié)構(gòu)和磁相互作用密切相關(guān)。在磁性多層膜中，界面性質(zhì)和層間耦合對(duì)斯格明子穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。例如，在[Ta/CoFeB/MgO]多層膜體系中，Ta和CoFeB之間的界面存在較強(qiáng)的自旋軌道耦合，這使得界面處產(chǎn)生Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）。這種相互作用促使自旋形成特定的手性構(gòu)型，有利于斯格明子的穩(wěn)定存在。通過精確控制各層的厚度和界面質(zhì)量，可以調(diào)節(jié)DMI的大小和方向，進(jìn)而優(yōu)化斯格明子的穩(wěn)定性。當(dāng)CoFeB層厚度在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，DMI的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)改變，影響斯格明子的形成和穩(wěn)定性。研究表明，合適的CoFeB層厚度能夠增強(qiáng)DMI，使得斯格明子在零場下更加穩(wěn)定。亞鐵磁合金中，晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的均勻性對(duì)斯格明子穩(wěn)定性至關(guān)重要。在一些亞鐵磁合金中，如Fe-Co-Si合金，不同元素的原子排列和電子云分布會(huì)影響磁相互作用。如果合金中存在成分不均勻或晶格缺陷，可能會(huì)破壞磁相互作用的平衡，導(dǎo)致斯格明子的穩(wěn)定性下降。通過控制合金的制備工藝，如熔煉溫度、冷卻速率等，可以減少缺陷，提高合金的均勻性，從而增強(qiáng)斯格明子的穩(wěn)定性。快速凝固技術(shù)可以抑制晶體缺陷的產(chǎn)生，使合金具有更均勻的微觀結(jié)構(gòu)，有利于零場斯格明子的穩(wěn)定存在。從能量角度分析，零場斯格明子的穩(wěn)定性源于其拓?fù)湫再|(zhì)和磁相互作用的平衡。斯格明子具有非零的拓?fù)潆姾桑渥孕龢?gòu)型的改變需要克服一定的能量壁壘。在磁性多層膜和亞鐵磁合金中，鐵磁交換相互作用、DMI和磁各向異性等相互競爭，共同決定了體系的能量狀態(tài)。當(dāng)這些相互作用達(dá)到平衡時(shí)，斯格明子能夠處于穩(wěn)定的能量最低態(tài)。在某些情況下，通過施加外部磁場或溫度變化，可以改變這些相互作用的相對(duì)強(qiáng)度，從而影響斯格明子的穩(wěn)定性。在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，熱漲落會(huì)增加，可能會(huì)破壞斯格明子的穩(wěn)定性。因此，深入研究這些因素對(duì)斯格明子穩(wěn)定性的影響，對(duì)于實(shí)現(xiàn)其在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義。2.2.2動(dòng)力學(xué)特性零場斯格明子在外加激勵(lì)下的動(dòng)力學(xué)特性是其在自旋電子學(xué)應(yīng)用中的關(guān)鍵，直接關(guān)系到信息的寫入、讀取和傳輸速度。當(dāng)施加自旋極化電流時(shí)，電流中的自旋角動(dòng)量與斯格明子的拓?fù)潆姾上嗷プ饔?，產(chǎn)生一種有效的驅(qū)動(dòng)力，使斯格明子在材料中移動(dòng)。在磁性多層膜中，如[Pt/Co/Ir]體系，通過實(shí)驗(yàn)測量和理論模擬發(fā)現(xiàn)，斯格明子在自旋極化電流驅(qū)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)速度與電流密度呈線性關(guān)系。隨著電流密度的增加，斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度加快，但同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)一些復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為，如斯格明子的形狀變形和運(yùn)動(dòng)軌跡的偏離。這是因?yàn)樵诟唠娏髅芏认?，自旋軌道轉(zhuǎn)矩和其他非絕熱效應(yīng)會(huì)對(duì)斯格明子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。在亞鐵磁合金中，零場斯格明子的動(dòng)力學(xué)特性與材料的磁結(jié)構(gòu)和電子特性密切相關(guān)。由于亞鐵磁合金中存在多種磁相互作用和復(fù)雜的電子能帶結(jié)構(gòu)，斯格明子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制更加復(fù)雜。在一些亞鐵磁合金中，斯格明子的運(yùn)動(dòng)不僅受到電流的驅(qū)動(dòng)，還會(huì)受到磁振子和聲子等元激發(fā)的影響。磁振子與斯格明子之間的相互作用可以導(dǎo)致斯格明子的散射和能量損耗，從而影響其運(yùn)動(dòng)速度和穩(wěn)定性。通過控制材料的溫度和外加磁場，可以調(diào)節(jié)磁振子和聲子的激發(fā)狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)控斯格明子的動(dòng)力學(xué)特性。在低溫下，磁振子的激發(fā)較少，斯格明子的運(yùn)動(dòng)相對(duì)更加穩(wěn)定；而在高溫下，磁振子的激發(fā)增強(qiáng)，可能會(huì)對(duì)斯格明子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響。此外，零場斯格明子的動(dòng)力學(xué)特性還受到材料邊界和缺陷的影響。在磁性多層膜和亞鐵磁合金中，材料的邊界和缺陷會(huì)導(dǎo)致磁相互作用的不均勻性，從而影響斯格明子的運(yùn)動(dòng)。邊界處的自旋釘扎效應(yīng)會(huì)阻礙斯格明子的運(yùn)動(dòng)，使其運(yùn)動(dòng)速度降低。而缺陷則可能成為斯格明子的散射中心，改變其運(yùn)動(dòng)方向。因此，在設(shè)計(jì)基于零場斯格明子的自旋電子學(xué)器件時(shí)，需要充分考慮材料的邊界和缺陷對(duì)斯格明子動(dòng)力學(xué)特性的影響，通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和制備工藝，減少這些不利因素的影響，提高器件的性能。2.2.3拓?fù)浠魻栃?yīng)零場斯格明子與拓?fù)浠魻栃?yīng)密切相關(guān)，拓?fù)浠魻栃?yīng)是零場斯格明子存在的重要實(shí)驗(yàn)證據(jù)之一，同時(shí)也為研究斯格明子的性質(zhì)和應(yīng)用提供了重要手段。在具有零場斯格明子的磁性多層膜和亞鐵磁合金中，當(dāng)施加外磁場時(shí)，由于斯格明子的拓?fù)湫再|(zhì)，會(huì)導(dǎo)致電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生一個(gè)與磁場和電流方向垂直的橫向電壓，即拓?fù)浠魻栯妷?。這種效應(yīng)源于斯格明子的拓?fù)潆姾膳c電子的相互作用，使得電子在材料中感受到一個(gè)類似于洛倫茲力的有效磁場，從而產(chǎn)生橫向電流。在實(shí)驗(yàn)中，通過測量拓?fù)浠魻栃?yīng)可以間接探測零場斯格明子的存在和性質(zhì)。在一些磁性多層膜體系中，如[Ta/CoFeB/MgO]多層膜，通過四探針法測量材料的電阻和霍爾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)體系中存在零場斯格明子時(shí)，霍爾電阻會(huì)出現(xiàn)明顯的反常變化，表現(xiàn)為拓?fù)浠魻栃?yīng)。通過改變外加磁場的大小和方向，可以觀察到拓?fù)浠魻栯妷旱淖兓?，從而研究斯格明子的磁結(jié)構(gòu)和拓?fù)湫再|(zhì)。當(dāng)磁場逐漸增加時(shí)，斯格明子的構(gòu)型可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致拓?fù)浠魻栯妷旱淖兓?guī)律也隨之改變。拓?fù)浠魻栃?yīng)在實(shí)際應(yīng)用中也具有重要價(jià)值。在自旋電子學(xué)器件中，拓?fù)浠魻栃?yīng)可以用于檢測和操控零場斯格明子。利用拓?fù)浠魻栃?yīng)產(chǎn)生的橫向電壓，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)斯格明子的非接觸式檢測，為斯格明子存儲(chǔ)器件的讀寫提供了一種新的方法。在基于斯格明子的邏輯電路中，拓?fù)浠魻栃?yīng)可以作為信號(hào)傳輸和處理的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息的快速傳輸和邏輯運(yùn)算。此外，拓?fù)浠魻栃?yīng)還可以用于研究材料的磁結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，為開發(fā)新型磁性材料和自旋電子學(xué)器件提供理論依據(jù)。通過研究拓?fù)浠魻栃?yīng)與材料結(jié)構(gòu)和磁相互作用之間的關(guān)系，可以優(yōu)化材料的性能，提高斯格明子的穩(wěn)定性和可操控性。三、磁性多層膜中的零場斯格明子3.1磁性多層膜結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)磁性多層膜是由兩種或多種不同磁性材料交替堆疊而成的薄膜結(jié)構(gòu)，每層厚度通常在納米量級(jí)。常見的磁性多層膜結(jié)構(gòu)包括[Ta/CoFeB/MgO]×n、[Pt/Co/Ir]×m等體系。在[Ta/CoFeB/MgO]多層膜中，Ta作為重金屬層，具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合，能夠在Ta與CoFeB的界面處誘導(dǎo)出Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）。CoFeB是鐵磁層，其磁矩方向和磁性能對(duì)斯格明子的形成和特性起著關(guān)鍵作用。MgO則作為隔離層，調(diào)節(jié)層間耦合強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)整個(gè)多層膜的穩(wěn)定性和磁性有重要影響。[Pt/Co/Ir]多層膜體系中，Pt和Ir同樣是具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬層，分別與Co層形成界面。通過調(diào)節(jié)Co層的厚度以及Pt、Ir層與Co層之間的界面質(zhì)量，可以精確控制DMI的大小和方向。不同重金屬層與Co層之間的DMI相互作用大小存在差異，如Pt/Co界面的DMI相互作用大小約為1.4mJ/m2，而Ir/Co界面的DMI相互作用大小約為1.0mJ/m2。這種差異使得通過合理設(shè)計(jì)多層膜結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)DMI的有效調(diào)控，從而優(yōu)化零場斯格明子的形成和穩(wěn)定條件。磁性多層膜的特點(diǎn)使其在零場斯格明子研究中具有獨(dú)特優(yōu)勢。首先，多層膜結(jié)構(gòu)提供了豐富的界面，這些界面處的原子排列和電子云分布與體相不同，容易產(chǎn)生界面反演對(duì)稱破缺，從而增強(qiáng)DMI。在Ta/CoFeB界面，由于Ta的原子尺寸和電子結(jié)構(gòu)與CoFeB不同，界面處的原子鍵合和電子云分布發(fā)生變化，導(dǎo)致自旋軌道耦合增強(qiáng)，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)的DMI。這種界面效應(yīng)為零場斯格明子的形成提供了有利條件。其次，通過改變各層材料的厚度、成分和界面性質(zhì)，可以精確調(diào)控多層膜的磁性能，如磁各向異性、交換相互作用和DMI等。在[Ta/CoFeB/MgO]多層膜中，隨著CoFeB層厚度的增加，鐵磁交換相互作用增強(qiáng)，而DMI的相對(duì)強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)CoFeB層厚度超過一定值時(shí)，鐵磁交換相互作用可能會(huì)主導(dǎo)磁結(jié)構(gòu)的形成，不利于斯格明子的穩(wěn)定。因此，通過精確控制各層厚度，可以實(shí)現(xiàn)磁相互作用的平衡，穩(wěn)定零場斯格明子。此外，磁性多層膜的制備工藝相對(duì)成熟，如磁控濺射、分子束外延等技術(shù)能夠精確控制薄膜的生長過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控。磁控濺射技術(shù)可以在大面積基底上均勻地沉積多層膜，并且能夠精確控制每層的厚度和成分。分子束外延技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)別的薄膜生長，制備出高質(zhì)量、界面清晰的多層膜結(jié)構(gòu)。這些制備技術(shù)為研究磁性多層膜中零場斯格明子的特性和形成機(jī)制提供了可靠的實(shí)驗(yàn)手段。3.2零場斯格明子的形成機(jī)制3.2.1Dzyaloshinsky-Moriya（DM）相互作用Dzyaloshinsky-Moriya（DM）相互作用在磁性多層膜中誘導(dǎo)零場斯格明子形成的過程中發(fā)揮著核心作用，其本質(zhì)源于自旋軌道耦合和晶體結(jié)構(gòu)的反演不對(duì)稱性。在磁性多層膜中，如[Ta/CoFeB/MgO]體系，重金屬Ta與鐵磁層CoFeB的界面處存在明顯的自旋軌道耦合。由于界面原子排列的不對(duì)稱性，這種耦合使得相鄰自旋間產(chǎn)生了DMI。從微觀層面來看，自旋軌道耦合使得電子的自旋與其軌道運(yùn)動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，在非中心對(duì)稱環(huán)境下，這種關(guān)聯(lián)導(dǎo)致相鄰自旋之間出現(xiàn)了一種反對(duì)稱的交換作用，即DMI。在磁性多層膜中，DMI的強(qiáng)度和方向與界面性質(zhì)密切相關(guān)。通過改變重金屬層和鐵磁層的材料組合、層間厚度以及界面的原子排列方式，可以精確調(diào)控DMI。在[Pt/Co/Ir]多層膜中，Pt/Co和Ir/Co界面的DMI相互作用大小存在差異，這是由于Pt和Ir的原子結(jié)構(gòu)和電子云分布不同，導(dǎo)致它們與Co層之間的自旋軌道耦合強(qiáng)度和方向不同。研究表明，當(dāng)調(diào)整Co層的厚度時(shí)，DMI的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化。隨著Co層厚度的增加，DMI與鐵磁交換相互作用的相對(duì)強(qiáng)度會(huì)改變，從而影響斯格明子的形成和穩(wěn)定性。當(dāng)DMI足夠強(qiáng)時(shí)，它能夠克服鐵磁交換相互作用的影響，促使自旋形成具有手性的斯格明子結(jié)構(gòu)。DMI對(duì)零場斯格明子的穩(wěn)定起著關(guān)鍵作用。從能量角度分析，DMI能量項(xiàng)E_{DMI}=-\sum_{i,j}\mathbf{D}_{ij}\cdot(\mathbf{S}_i\times\mathbf{S}_j)，其中\(zhòng)mathbf{D}_{ij}是DMI相互作用矢量，\mathbf{S}_i和\mathbf{S}_j是相鄰自旋。在斯格明子結(jié)構(gòu)中，DMI能量項(xiàng)與鐵磁交換能量、磁各向異性能量等相互競爭，共同決定了體系的能量狀態(tài)。當(dāng)DMI能量與其他能量項(xiàng)達(dá)到平衡時(shí)，斯格明子能夠處于穩(wěn)定的能量最低態(tài)。在一些磁性多層膜中，通過精確控制DMI的大小和方向，可以使斯格明子在零場下保持穩(wěn)定。這種穩(wěn)定性為斯格明子在自旋電子學(xué)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，如在磁性存儲(chǔ)器件中，穩(wěn)定的零場斯格明子可以作為信息存儲(chǔ)的基本單元。3.2.2磁各向異性與偶極相互作用磁各向異性和偶極相互作用在零場斯格明子的形成和穩(wěn)定性方面扮演著不可或缺的角色，它們與Dzyaloshinsky-Moriya（DMI）相互作用相互交織，共同塑造了斯格明子的特性。磁各向異性是指磁性材料在不同方向上具有不同的磁性能，它主要源于材料的晶體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力以及界面效應(yīng)等因素。在磁性多層膜中，磁各向異性可以分為磁晶各向異性、形狀各向異性和界面各向異性。磁晶各向異性是由材料的晶體結(jié)構(gòu)決定的，它使得自旋傾向于沿著特定的晶軸方向排列。在一些具有面心立方結(jié)構(gòu)的磁性多層膜中，[100]、[110]和[111]晶向的磁性能存在差異，自旋在這些方向上的取向具有不同的能量。這種各向異性會(huì)影響斯格明子的形成和穩(wěn)定性，因?yàn)樗垢衩髯拥淖孕龢?gòu)型需要在滿足磁各向異性的條件下達(dá)到能量最低態(tài)。當(dāng)磁晶各向異性較強(qiáng)時(shí)，斯格明子的自旋可能會(huì)沿著特定的晶向排列，從而影響其形狀和尺寸。形狀各向異性則與材料的幾何形狀有關(guān)，它使得自旋在材料的長軸和短軸方向上具有不同的取向偏好。在磁性多層膜中，當(dāng)薄膜的厚度與平面尺寸相比較小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的形狀各向異性。這種各向異性會(huì)對(duì)斯格明子的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，因?yàn)樗垢衩髯拥拇嬖跁?huì)改變材料的磁矩分布，進(jìn)而影響形狀各向異性能量。如果形狀各向異性與其他磁相互作用不協(xié)調(diào)，可能會(huì)導(dǎo)致斯格明子的穩(wěn)定性下降。界面各向異性是由于磁性多層膜中不同材料層之間的界面特性引起的，它對(duì)斯格明子的形成和穩(wěn)定性具有重要影響。在[Ta/CoFeB/MgO]多層膜中，Ta/CoFeB和CoFeB/MgO界面的原子排列和電子云分布不同，導(dǎo)致界面處產(chǎn)生了界面各向異性。這種各向異性可以調(diào)節(jié)DMI的大小和方向，從而影響斯格明子的形成和穩(wěn)定性。通過優(yōu)化界面各向異性，可以增強(qiáng)DMI與其他磁相互作用的協(xié)同效應(yīng)，提高斯格明子在零場下的穩(wěn)定性。偶極相互作用是磁性材料中磁矩之間的長程相互作用，它源于磁矩產(chǎn)生的磁場與其他磁矩之間的相互作用。在磁性多層膜中，偶極相互作用對(duì)零場斯格明子的形成和穩(wěn)定性也具有重要影響。偶極相互作用傾向于使磁矩排列成降低系統(tǒng)總磁能的構(gòu)型。在斯格明子形成過程中，偶極相互作用與DMI和磁各向異性相互競爭。當(dāng)偶極相互作用較強(qiáng)時(shí)，它可能會(huì)破壞斯格明子的形成，因?yàn)榕紭O相互作用傾向于使自旋均勻排列，而斯格明子需要自旋形成特定的渦旋狀構(gòu)型。然而，在一定條件下，偶極相互作用也可以與其他磁相互作用協(xié)同作用，穩(wěn)定斯格明子。在一些磁性多層膜中，通過合理設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)和磁參數(shù)，可以使偶極相互作用與DMI和磁各向異性達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)零場下斯格明子的穩(wěn)定存在。3.3典型案例分析以[Ta/CoFeB/MgO]×15多層膜結(jié)構(gòu)為例，清華大學(xué)趙永剛研究組利用磁控濺射技術(shù)成功生長出該典型斯格明子體系。為探究在受限結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生室溫、零磁場下穩(wěn)定的單個(gè)斯格明子包的方法，研究人員首先利用微加工技術(shù)制備出不同尺寸的微米級(jí)受限圓盤陣列。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于特定尺寸的圓盤，采用小角度飽和傾斜磁場進(jìn)行磁化，能夠得到一種獨(dú)特的“網(wǎng)狀”疇結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)樵谛〗嵌蕊柡蛢A斜磁場作用下，多層膜內(nèi)的磁矩分布發(fā)生改變，磁各向異性、Dzyaloshinsky-Moriya（DMI）相互作用和偶極相互作用之間的平衡被打破，從而促使磁矩形成了這種特殊的“網(wǎng)狀”排列。這種“網(wǎng)狀”疇結(jié)構(gòu)具有較高的能量狀態(tài)，處于一種亞穩(wěn)態(tài)。進(jìn)一步在面外磁場的誘導(dǎo)下，“網(wǎng)狀”疇結(jié)構(gòu)會(huì)逐步轉(zhuǎn)變成斯格明子包結(jié)構(gòu)。面外磁場的施加改變了體系的能量分布，使得磁矩之間的相互作用發(fā)生變化。在這個(gè)過程中，DMI相互作用促使磁矩形成具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的斯格明子結(jié)構(gòu)，而磁各向異性和偶極相互作用則共同作用，使得多個(gè)斯格明子聚集并被外層的大斯格明子所包圍，最終形成斯格明子包結(jié)構(gòu)。當(dāng)撤去磁場后，斯格明子包結(jié)構(gòu)仍能保持穩(wěn)定，這得益于其拓?fù)浞€(wěn)定性以及多層膜結(jié)構(gòu)中各磁相互作用的平衡。研究人員還對(duì)斯格明子包的相關(guān)性質(zhì)進(jìn)行了深入探索。通過實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)斯格明子包拓?fù)鋽?shù)與受限圓盤尺寸之間存在明顯的依賴性。隨著圓盤尺寸的變化，磁相互作用在圓盤內(nèi)的分布和強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)圓盤尺寸較小時(shí)，邊界效應(yīng)顯著，磁各向異性和DMI相互作用在邊界處的競爭更為激烈，導(dǎo)致斯格明子包的拓?fù)鋽?shù)較低。而當(dāng)圓盤尺寸增大到一定程度時(shí)，內(nèi)部的磁相互作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)，能夠容納更多的斯格明子，從而使斯格明子包的拓?fù)鋽?shù)增加。在宏觀磁場驅(qū)動(dòng)下，斯格明子包的拓?fù)鋽?shù)會(huì)發(fā)生逐級(jí)轉(zhuǎn)變。這是因?yàn)楹暧^磁場的變化改變了磁矩之間的相互作用能量，使得斯格明子包內(nèi)的斯格明子發(fā)生重新排列和組合。當(dāng)磁場逐漸增大時(shí)，斯格明子之間的相互作用能發(fā)生變化，一些斯格明子可能會(huì)合并或分裂，從而導(dǎo)致拓?fù)鋽?shù)的逐級(jí)改變。通過控制宏觀磁場的大小和方向，可以精確調(diào)控斯格明子包的拓?fù)鋽?shù)，為其在信息存儲(chǔ)和邏輯運(yùn)算等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更多的可能性。此外，研究人員還研究了斯格明子包的局域磁場調(diào)控行為。利用微磁學(xué)仿真技術(shù)，分析了受限圓盤的特殊邊界條件，發(fā)現(xiàn)邊界附近存在高磁各向異性能密度區(qū)域。這些區(qū)域?qū)λ垢衩髯影漠a(chǎn)生和零場穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。在邊界附近，高磁各向異性能密度使得磁矩的取向受到強(qiáng)烈約束，與內(nèi)部的磁相互作用形成了一種特殊的平衡，從而有利于斯格明子包的穩(wěn)定存在。從能量角度來看，這種特殊的邊界條件使得斯格明子包在零場下能夠處于能量較低的穩(wěn)定狀態(tài)。通過改變材料參數(shù)，如DMI的大小、磁各向異性的強(qiáng)度等，研究人員進(jìn)一步探索了不同條件下斯格明子包的穩(wěn)定情況。結(jié)果表明，合理調(diào)整材料參數(shù)可以增強(qiáng)斯格明子包的穩(wěn)定性，為斯格明子包在實(shí)際應(yīng)用中的設(shè)計(jì)和制備提供了重要的理論指導(dǎo)。四、亞鐵磁合金中的零場斯格明子4.1亞鐵磁合金的基本性質(zhì)亞鐵磁合金是一類具有獨(dú)特磁結(jié)構(gòu)和基本磁性特征的材料，其磁結(jié)構(gòu)源于不同亞晶格中原子磁矩的特殊排列方式。在亞鐵磁合金中，原子磁矩并非完全同向排列，而是存在部分反向排列的情況。以常見的尖晶石結(jié)構(gòu)亞鐵磁合金（如磁鐵礦Fe?O?）為例，其晶體結(jié)構(gòu)中包含A、B兩種不同的亞晶格。在A亞晶格中，部分陽離子的磁矩方向與B亞晶格中陽離子的磁矩方向相反。這種反向排列并非完全抵消，由于不同亞晶格中原子磁矩大小不等，使得合金在宏觀上仍表現(xiàn)出一定的磁性。在Fe?O?中，A亞晶格和B亞晶格的磁矩大小存在差異，導(dǎo)致其存在剩余磁矩，呈現(xiàn)出亞鐵磁性。這種磁矩排列方式使得亞鐵磁合金具有與鐵磁材料和反鐵磁材料不同的磁性特征。與鐵磁材料相比，亞鐵磁合金的飽和磁化強(qiáng)度較低。這是因?yàn)殍F磁材料中原子磁矩基本同向排列，而亞鐵磁合金中存在反向磁矩，相互抵消部分磁矩，使得整體的飽和磁化強(qiáng)度降低。在相同的外加磁場下，鐵磁材料可能達(dá)到較高的飽和磁化強(qiáng)度，而亞鐵磁合金的飽和磁化強(qiáng)度相對(duì)較低。與反鐵磁材料相比，亞鐵磁合金在外加磁場下的磁化行為更為明顯。反鐵磁材料中原子磁矩完全反向排列，凈磁矩為零，在外加磁場下的磁化響應(yīng)較弱。而亞鐵磁合金由于存在剩余磁矩，在外加磁場作用下，磁化強(qiáng)度會(huì)隨磁場變化而發(fā)生較為顯著的改變。亞鐵磁合金的居里溫度也是其重要的磁性參數(shù)之一。居里溫度是指材料從鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度。在居里溫度以下，亞鐵磁合金保持亞鐵磁性，原子磁矩的有序排列使得材料具有一定的磁性。當(dāng)溫度升高到居里溫度以上時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)加劇，原子磁矩的有序排列被破壞，材料轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，磁性消失。不同的亞鐵磁合金具有不同的居里溫度，這取決于合金的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)。一些含有稀土元素的亞鐵磁合金，其居里溫度可能相對(duì)較低，而某些過渡金屬組成的亞鐵磁合金，居里溫度則較高。了解亞鐵磁合金的居里溫度對(duì)于其在實(shí)際應(yīng)用中的性能和穩(wěn)定性評(píng)估具有重要意義。4.2零場斯格明子的形成與特性4.2.1形成條件亞鐵磁合金中零場斯格明子的形成依賴于特定的物理?xiàng)l件和嚴(yán)格的材料要求，這些條件和要求與材料的微觀結(jié)構(gòu)、磁相互作用密切相關(guān)。從物理?xiàng)l件來看，Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用是亞鐵磁合金中形成零場斯格明子的關(guān)鍵因素之一。在一些具有強(qiáng)自旋軌道耦合的亞鐵磁合金中，如含有過渡金屬元素的合金，由于晶體結(jié)構(gòu)的非中心對(duì)稱性，會(huì)產(chǎn)生DM相互作用。這種相互作用使得相鄰自旋間產(chǎn)生反對(duì)稱的交換作用，促使自旋形成具有手性的渦旋狀結(jié)構(gòu)，為斯格明子的形成提供了必要條件。磁各向異性在零場斯格明子的形成中也起著重要作用。亞鐵磁合金中的磁各向異性源于晶體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力以及界面效應(yīng)等因素。磁晶各向異性使得自旋傾向于沿著特定的晶軸方向排列，而形狀各向異性和界面各向異性則會(huì)影響自旋在材料中的分布和取向。當(dāng)磁各向異性與DM相互作用達(dá)到一定的平衡時(shí)，有利于斯格明子的穩(wěn)定形成。在某些亞鐵磁合金中，通過調(diào)整晶體結(jié)構(gòu)或引入特定的應(yīng)力，可以增強(qiáng)磁各向異性，從而促進(jìn)零場斯格明子的形成。從材料要求方面來說，亞鐵磁合金的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)對(duì)斯格明子的形成至關(guān)重要。合金中不同元素的原子磁矩大小和方向不同，它們之間的相互作用會(huì)影響磁結(jié)構(gòu)的形成。在一些含有稀土元素和過渡金屬元素的亞鐵磁合金中，稀土元素的4f電子和過渡金屬元素的3d電子之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的磁相互作用，為斯格明子的形成提供了可能。此外，晶體結(jié)構(gòu)的完整性和均勻性也會(huì)影響斯格明子的形成。如果合金中存在晶體缺陷或雜質(zhì)，可能會(huì)破壞磁相互作用的平衡，阻礙斯格明子的形成。因此，制備高質(zhì)量、成分均勻的亞鐵磁合金是實(shí)現(xiàn)零場斯格明子穩(wěn)定存在的關(guān)鍵。通過優(yōu)化合金的制備工藝，如采用先進(jìn)的熔煉技術(shù)和熱處理工藝，可以減少晶體缺陷和雜質(zhì)，提高合金的質(zhì)量，為零場斯格明子的形成創(chuàng)造有利條件。4.2.2與鐵磁材料中斯格明子的差異亞鐵磁合金與鐵磁材料中零場斯格明子在特性、穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)行為等方面存在顯著差異，這些差異源于兩種材料不同的磁結(jié)構(gòu)和磁相互作用。在特性方面，亞鐵磁合金中零場斯格明子的飽和磁化強(qiáng)度相對(duì)較低。由于亞鐵磁合金中存在不同亞晶格的原子磁矩反向排列，且磁矩大小不等，導(dǎo)致整體的飽和磁化強(qiáng)度低于鐵磁材料。這使得亞鐵磁合金中斯格明子的磁性信號(hào)相對(duì)較弱，在實(shí)驗(yàn)觀測和應(yīng)用中需要更靈敏的檢測手段。在穩(wěn)定性方面，亞鐵磁合金中斯格明子的穩(wěn)定性機(jī)制與鐵磁材料有所不同。在鐵磁材料中，斯格明子的穩(wěn)定性主要依賴于Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用和磁各向異性的平衡。而在亞鐵磁合金中，由于存在多種磁相互作用和復(fù)雜的電子能帶結(jié)構(gòu)，斯格明子的穩(wěn)定性受到更多因素的影響。不同亞晶格之間的磁相互作用、晶體缺陷以及雜質(zhì)等都會(huì)對(duì)斯格明子的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在一些含有雜質(zhì)的亞鐵磁合金中，雜質(zhì)原子可能會(huì)與周圍的磁性原子發(fā)生相互作用，改變磁相互作用的平衡，從而降低斯格明子的穩(wěn)定性。在動(dòng)力學(xué)行為方面，亞鐵磁合金中零場斯格明子的運(yùn)動(dòng)特性與鐵磁材料也存在差異。當(dāng)施加自旋極化電流時(shí)，亞鐵磁合金中斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度和方向不僅受到電流產(chǎn)生的自旋軌道轉(zhuǎn)矩的影響，還會(huì)受到磁振子和聲子等元激發(fā)的散射作用。這些元激發(fā)與斯格明子之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致斯格明子的能量損耗和運(yùn)動(dòng)軌跡的改變，使得其動(dòng)力學(xué)行為更加復(fù)雜。在高溫下，磁振子的激發(fā)增強(qiáng)，會(huì)對(duì)亞鐵磁合金中斯格明子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)速度降低和運(yùn)動(dòng)方向的不確定性增加。而在鐵磁材料中，斯格明子的動(dòng)力學(xué)行為相對(duì)較為簡單，主要受電流和磁場的影響。4.3典型案例分析以Mn?Sb?.?Bi?.?亞鐵磁體為例，該材料具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和磁特性，為研究零場斯格明子提供了良好的平臺(tái)。在研究其拓?fù)浠魻栃?yīng)與自旋重取向相變的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的變化，Mn?Sb?.?Bi?.?亞鐵磁體呈現(xiàn)出復(fù)雜的磁性轉(zhuǎn)變行為。當(dāng)溫度從低溫逐漸升高時(shí)，材料經(jīng)歷了自旋重取向相變。在低溫階段，磁矩主要沿著特定的晶軸方向排列，此時(shí)材料表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁各向異性。隨著溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)逐漸增強(qiáng)，磁矩之間的相互作用發(fā)生變化，導(dǎo)致磁矩的取向逐漸改變。在自旋重取向相變過程中，拓?fù)浠魻栃?yīng)也出現(xiàn)了明顯的變化。通過實(shí)驗(yàn)測量霍爾電阻隨溫度和磁場的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料處于自旋重取向相變區(qū)域時(shí)，拓?fù)浠魻栯妷撼霈F(xiàn)了異常的峰值。這表明拓?fù)浠魻栃?yīng)與自旋重取向相變密切相關(guān)，自旋重取向過程中磁結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致了斯格明子的形成和演化，進(jìn)而影響了拓?fù)浠魻栃?yīng)。這種特殊的拓?fù)浠魻栃?yīng)行為與斯格明子的存在緊密關(guān)聯(lián)。在自旋重取向相變過程中，由于磁各向異性、Dzyaloshinskii-Moriya（DMI）相互作用和熱漲落的共同作用，使得材料中出現(xiàn)了具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的斯格明子結(jié)構(gòu)。斯格明子的拓?fù)潆姾蓪?dǎo)致電子在材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)感受到一個(gè)有效的磁場，從而產(chǎn)生拓?fù)浠魻栃?yīng)。在拓?fù)浠魻栯妷撼霈F(xiàn)峰值的溫度區(qū)域，正是斯格明子形成和穩(wěn)定存在的區(qū)域。通過進(jìn)一步的微磁學(xué)模擬和理論分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁矩的取向發(fā)生變化時(shí)，DMI相互作用促使自旋形成具有手性的斯格明子結(jié)構(gòu)，而磁各向異性則限制了斯格明子的尺寸和分布。在自旋重取向相變過程中，磁各向異性的變化使得斯格明子的穩(wěn)定性和拓?fù)湫再|(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致拓?fù)浠魻栃?yīng)的異常變化。因此，通過研究Mn?Sb?.?Bi?.?亞鐵磁體中拓?fù)浠魻栃?yīng)與自旋重取向相變的關(guān)系，可以深入了解斯格明子在亞鐵磁合金中的形成和演化機(jī)制，為探索零場斯格明子的特性和應(yīng)用提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。五、磁性多層膜與亞鐵磁合金中零場斯格明子的對(duì)比研究5.1形成機(jī)制對(duì)比磁性多層膜和亞鐵磁合金中零場斯格明子的形成機(jī)制既有相同點(diǎn)，也存在明顯差異。在相同點(diǎn)方面，Dzyaloshinsky-Moriya（DMI）相互作用都是促使斯格明子形成的關(guān)鍵因素。在磁性多層膜中，如[Ta/CoFeB/MgO]體系，Ta與CoFeB的界面處由于自旋軌道耦合和界面原子排列的不對(duì)稱性，產(chǎn)生了DMI。在亞鐵磁合金中，一些具有強(qiáng)自旋軌道耦合的體系，如含有過渡金屬元素的合金，同樣因晶體結(jié)構(gòu)的非中心對(duì)稱性而存在DMI。這種相互作用使得相鄰自旋間產(chǎn)生反對(duì)稱的交換作用，為斯格明子的形成提供了必要的手性自旋構(gòu)型條件。磁各向異性在兩者中也都對(duì)斯格明子的形成起到重要作用。在磁性多層膜中，磁各向異性源于晶體結(jié)構(gòu)、應(yīng)力以及界面效應(yīng)等。磁晶各向異性決定了自旋在晶體中的易磁化方向，形狀各向異性與薄膜的幾何形狀相關(guān)，界面各向異性則由不同材料層之間的界面特性引起。在亞鐵磁合金中，磁各向異性同樣受到晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的影響。在一些具有特定晶體結(jié)構(gòu)的亞鐵磁合金中，磁晶各向異性使得自旋傾向于沿著特定的晶軸方向排列，這與磁性多層膜中的情況類似。然而，兩者的形成機(jī)制也存在顯著差異。在磁性多層膜中，界面效應(yīng)是其獨(dú)特的影響因素。多層膜結(jié)構(gòu)提供了豐富的界面，這些界面處的原子排列和電子云分布與體相不同，容易產(chǎn)生界面反演對(duì)稱破缺，從而增強(qiáng)DMI。通過精確控制各層的厚度、界面質(zhì)量以及層間耦合強(qiáng)度，可以調(diào)節(jié)DMI的大小和方向。在[Pt/Co/Ir]多層膜中，通過調(diào)整Co層的厚度以及Pt、Ir層與Co層之間的界面性質(zhì)，能夠精確調(diào)控DMI。而在亞鐵磁合金中，晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的均勻性對(duì)斯格明子的形成至關(guān)重要。合金中不同元素的原子磁矩大小和方向不同，它們之間的相互作用會(huì)影響磁結(jié)構(gòu)的形成。在一些含有稀土元素和過渡金屬元素的亞鐵磁合金中，稀土元素的4f電子和過渡金屬元素的3d電子之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致復(fù)雜的磁相互作用，為斯格明子的形成提供了可能。此外，晶體結(jié)構(gòu)的完整性和均勻性也會(huì)影響斯格明子的形成。如果合金中存在晶體缺陷或雜質(zhì)，可能會(huì)破壞磁相互作用的平衡，阻礙斯格明子的形成。從形成機(jī)制的適用條件來看，磁性多層膜中零場斯格明子的形成更依賴于精確的材料制備和界面調(diào)控技術(shù)。通過先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)，如磁控濺射、分子束外延等，可以精確控制多層膜的結(jié)構(gòu)和成分，實(shí)現(xiàn)對(duì)DMI和其他磁相互作用的精確調(diào)控。而亞鐵磁合金中零場斯格明子的形成則需要在材料的熔煉和制備過程中，嚴(yán)格控制化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，減少缺陷和雜質(zhì)的影響。在影響因素方面，磁性多層膜中各層材料的選擇、厚度以及界面質(zhì)量等因素對(duì)斯格明子的形成影響較大。不同的重金屬層與鐵磁層組合會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度和方向的DMI。而亞鐵磁合金中，元素的種類、含量以及原子排列方式等因素對(duì)斯格明子的形成起著關(guān)鍵作用。不同的元素組合和晶體結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致不同的磁相互作用，從而影響斯格明子的形成和穩(wěn)定性。5.2特性差異分析在穩(wěn)定性方面，磁性多層膜和亞鐵磁合金中零場斯格明子存在明顯差異。磁性多層膜中，斯格明子的穩(wěn)定性高度依賴于界面特性。如[Ta/CoFeB/MgO]多層膜，Ta與CoFeB的界面處的Dzyaloshinsky-Moriya（DMI）相互作用對(duì)斯格明子的穩(wěn)定起關(guān)鍵作用。通過精確控制界面質(zhì)量、各層厚度以及層間耦合強(qiáng)度，能夠有效調(diào)節(jié)DMI的大小和方向，從而優(yōu)化斯格明子的穩(wěn)定性。在一些實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)CoFeB層厚度在特定范圍內(nèi)變化時(shí)，DMI的強(qiáng)度改變，斯格明子的穩(wěn)定性也隨之變化。而亞鐵磁合金中，斯格明子的穩(wěn)定性主要受晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分均勻性的影響。在Fe-Co-Si合金中，若存在成分不均勻或晶格缺陷，會(huì)破壞磁相互作用的平衡，導(dǎo)致斯格明子穩(wěn)定性下降。通過優(yōu)化制備工藝，減少晶體缺陷，提高合金均勻性，能夠增強(qiáng)斯格明子的穩(wěn)定性。動(dòng)力學(xué)特性上，二者也有所不同。磁性多層膜中，在自旋極化電流驅(qū)動(dòng)下，斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度與電流密度呈線性關(guān)系。在[Pt/Co/Ir]多層膜體系中，實(shí)驗(yàn)測量和理論模擬表明，隨著電流密度增加，斯格明子運(yùn)動(dòng)速度加快，但同時(shí)會(huì)出現(xiàn)形狀變形和運(yùn)動(dòng)軌跡偏離等復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為。這是由于高電流密度下，自旋軌道轉(zhuǎn)矩和其他非絕熱效應(yīng)的影響。而在亞鐵磁合金中，斯格明子的運(yùn)動(dòng)機(jī)制更為復(fù)雜，不僅受電流驅(qū)動(dòng)，還受磁振子和聲子等元激發(fā)的影響。在一些亞鐵磁合金中，磁振子與斯格明子的相互作用會(huì)導(dǎo)致斯格明子的散射和能量損耗，影響其運(yùn)動(dòng)速度和穩(wěn)定性。在高溫下，磁振子激發(fā)增強(qiáng)，對(duì)斯格明子運(yùn)動(dòng)影響更大。拓?fù)浠魻栃?yīng)方面，磁性多層膜和亞鐵磁合金中也存在差異。在磁性多層膜中，拓?fù)浠魻栃?yīng)主要源于斯格明子的拓?fù)潆姾膳c電子的相互作用。在[Ta/CoFeB/MgO]多層膜中，通過測量霍爾電阻，能觀察到拓?fù)浠魻栃?yīng)導(dǎo)致的霍爾電阻反常變化。當(dāng)體系中存在零場斯格明子時(shí)，霍爾電阻會(huì)出現(xiàn)明顯變化，且隨著外加磁場大小和方向改變，拓?fù)浠魻栯妷阂矔?huì)相應(yīng)變化。而在亞鐵磁合金中，拓?fù)浠魻栃?yīng)與自旋重取向相變等因素密切相關(guān)。在Mn?Sb?.?Bi?.?亞鐵磁體中，自旋重取向相變過程中，拓?fù)浠魻栃?yīng)出現(xiàn)異常變化，拓?fù)浠魻栯妷涸谔囟囟葏^(qū)域出現(xiàn)峰值，這與斯格明子的形成和演化密切相關(guān)。在自旋重取向過程中，磁結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致斯格明子的形成和特性改變，進(jìn)而影響拓?fù)浠魻栃?yīng)。5.3應(yīng)用前景對(duì)比在自旋電子學(xué)器件應(yīng)用領(lǐng)域，磁性多層膜和亞鐵磁合金中的零場斯格明子均展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，同時(shí)也面臨著各自的挑戰(zhàn)。磁性多層膜中的零場斯格明子具有顯著優(yōu)勢。其制備工藝相對(duì)成熟，如磁控濺射、分子束外延等技術(shù)能夠精確控制薄膜的生長過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)多層膜結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控。這使得在大規(guī)模制備基于磁性多層膜斯格明子的器件時(shí)，能夠更好地保證產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性。在[Ta/CoFeB/MgO]多層膜體系中，通過磁控濺射技術(shù)可以精確控制各層的厚度和成分，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)斯格明子特性的優(yōu)化。這種精確調(diào)控能力為制備高性能的自旋電子學(xué)器件提供了有力保障。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，磁性多層膜中的斯格明子尺寸可以通過調(diào)節(jié)多層膜的結(jié)構(gòu)和成分精確控制，有望實(shí)現(xiàn)超高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。德國漢堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過分子束外延技術(shù)在Ir/Fe/Pd體系中制備出了尺寸僅為5nm甚至更小的奈耳態(tài)斯格明子，這表明磁性多層膜中的斯格明子在高密度存儲(chǔ)方面具有巨大潛力。此外，多層膜結(jié)構(gòu)中的界面特性使得斯格明子的穩(wěn)定性和可操控性較好，能夠在較低的能耗下實(shí)現(xiàn)信息的寫入和讀取。在自旋極化電流驅(qū)動(dòng)下，斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度與電流密度呈線性關(guān)系，且運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，這有利于提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的速度。然而，磁性多層膜中零場斯格明子的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。一方面，多層膜結(jié)構(gòu)中的界面穩(wěn)定性和層間耦合問題需要進(jìn)一步解決。在實(shí)際應(yīng)用中，界面處可能會(huì)出現(xiàn)原子擴(kuò)散、雜質(zhì)聚集等問題，影響斯格明子的穩(wěn)定性和性能。在高溫或長時(shí)間使用過程中，界面處的原子可能會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致Dzyaloshinsky-Moriya（DMI）相互作用的改變，從而影響斯格明子的穩(wěn)定性。另一方面，目前磁性多層膜中斯格明子的制備成本相對(duì)較高，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。先進(jìn)的制備技術(shù)雖然能夠精確控制多層膜的結(jié)構(gòu)和性能，但設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，增加了生產(chǎn)成本。亞鐵磁合金中的零場斯格明子在應(yīng)用中也有自身優(yōu)勢。由于其獨(dú)特的磁結(jié)構(gòu)和磁相互作用，亞鐵磁合金中的斯格明子在一些特殊應(yīng)用場景中具有潛在價(jià)值。在一些需要低飽和磁化強(qiáng)度和特殊磁響應(yīng)的場合，亞鐵磁合金中的斯格明子能夠發(fā)揮其優(yōu)勢。在某些傳感器應(yīng)用中，亞鐵磁合金中斯格明子的低飽和磁化強(qiáng)度可以使其對(duì)微弱磁場變化更加敏感，提高傳感器的靈敏度。在穩(wěn)定性方面，雖然亞鐵磁合金中斯格明子的穩(wěn)定性受晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分均勻性影響較大，但通過優(yōu)化制備工藝，如采用先進(jìn)的熔煉技術(shù)和熱處理工藝，可以有效提高其穩(wěn)定性。在一些研究中，通過精確控制合金的成分和制備過程中的工藝參數(shù)，成功制備出了具有較高穩(wěn)定性的亞鐵磁合金斯格明子。此外，亞鐵磁合金中的斯格明子與其他元激發(fā)（如磁振子、聲子等）的相互作用，為開發(fā)新型的自旋電子學(xué)器件提供了新的思路。利用斯格明子與磁振子的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)信息的高效傳輸和處理，為構(gòu)建新型的信息處理系統(tǒng)提供了可能。然而，亞鐵磁合金中零場斯格明子的應(yīng)用也面臨諸多挑戰(zhàn)。其制備過程相對(duì)復(fù)雜，需要精確控制合金的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，以保證斯格明子的形成和穩(wěn)定性。在制備過程中，微小的成分偏差或晶體缺陷都可能導(dǎo)致斯格明子的性能下降或無法形成。亞鐵磁合金中斯格明子的動(dòng)力學(xué)行為較為復(fù)雜，受到多種因素的影響，這增加了對(duì)其操控的難度。在自旋極化電流驅(qū)動(dòng)下，斯格明子的運(yùn)動(dòng)不僅受到電流的影響，還受到磁振子和聲子等元激發(fā)的散射作用，使得其運(yùn)動(dòng)速度和方向難以精確控制。此外，目前對(duì)于亞鐵磁合金中斯格明子的研究還相對(duì)較少，相關(guān)的理論和技術(shù)還不夠成熟，需要進(jìn)一步深入研究和探索?？傮w而言，磁性多層膜和亞鐵磁合金中零場斯格明子在自旋電子學(xué)器件應(yīng)用中都具有廣闊的前景，但也都需要克服各自面臨的挑戰(zhàn)。未來的研究可以致力于解決這些問題，進(jìn)一步優(yōu)化材料性能和制備工藝，推動(dòng)零場斯格明子在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究對(duì)磁性多層膜和亞鐵磁合金中零場斯格明子展開了深入探究，在特性、形成機(jī)制以及應(yīng)用前景等方面取得了一