磁性斯格明子（Magnetic Skyrmion）是一種具有手性自旋的納米磁疇結(jié)構(gòu)，具有拓撲保護性、低驅(qū)動電流密度，及磁、電場和溫度等多物理調(diào)控的特性，是未來高密度、高速度、低能耗信息存儲器件的核心理想存儲單元。開發(fā)更多優(yōu)異性能的磁性斯格明子新材料是目前磁電子學領(lǐng)域的研究熱點，也是推進磁性斯格明子實用化的關(guān)鍵。

　　中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M05組長期從事新型磁性功能材料的探索及物性研究，先后開發(fā)出多種磁斯格明子材料新體系。2016年，在六角結(jié)構(gòu)MnNiGa合金中，獲得寬溫區(qū)跨室溫的雙渦旋磁性斯格明子；2017年，在Kagome晶格阻挫磁性合金Fe₃Sn₂中，觀察到具有最高居里溫度的多拓撲態(tài)磁性斯格明子；2018年，利用聚焦離子束和微納加工技術(shù)，制備出單鏈磁性斯格明子器件，并最終觀察到電流驅(qū)動單個磁性斯格明子手性翻轉(zhuǎn)。同時，總結(jié)出在中心對稱晶體結(jié)構(gòu)材料中獲得磁性斯格明子的必要條件：即適中的磁單軸各向異性和磁結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定特征。這兩類室溫新材料體系的發(fā)現(xiàn)及自旋拓撲態(tài)調(diào)控研究，為推進磁斯格明子存儲器件的應用提供材料和理論支持。

　　基于上述研究思路，近期，該課題組博士生丁貝和李澤方、研究員王文洪等與A01組副研究員姚湲合作，在二維磁性材料Fe₃GeTe₂（FGT）中首次觀察到布洛赫型磁性斯格明子自旋結(jié)構(gòu)。如圖1所示，Fe₃GeTe₂由Fe（2）-Ge原子形成的六角環(huán)和Fe（1）原子形成的三角結(jié)構(gòu)構(gòu)成層內(nèi)雙層結(jié)構(gòu)，層間穿插兩層Te原子分割Fe/FeGe/Fe層。研究人員通過設(shè)計試驗，分別采用溫度震蕩的化學氣相輸運法和助溶劑法生長出高質(zhì)量的FGT單晶樣品。通過磁性測量發(fā)現(xiàn)，該材料在居里溫度以下（T_C~150K）呈現(xiàn)出適中的磁晶各向異性，且其磁結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定特征。利用洛倫茲透射電子顯微鏡觀察到FGT單晶薄片樣品中，隨外加垂直磁場增加，條狀磁疇逐漸收縮形成磁性斯格明子拓撲磁疇結(jié)構(gòu)（圖2）。通過場冷實驗，調(diào)控磁性斯格明子的密度，實現(xiàn)零磁場且高密度的磁性斯格明子晶格結(jié)構(gòu)。由于磁性斯格明子具有拓撲穩(wěn)定性，可存在于不同傾角的場冷調(diào)控中（圖3），研究人員結(jié)合微磁學模擬，進一步證實該材料中的磁性斯格明子呈布洛赫型磁矩排列。

　　二維范德華磁性材料具有易于解理和轉(zhuǎn)移優(yōu)點，且在少層甚至單層下能保持長程磁有序，在納米微電子器件中具有應用價值。因此，該研究將磁性斯格明子的研究拓展到二維磁性材料，有助于推進磁性斯格明子材料的器件化，為深入研究磁性斯格明子的拓撲自旋結(jié)構(gòu)提供新候選材料體系。

　　相關(guān)研究成果以Observation of Magnetic Skyrmion Bubbles in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GeTe₂為題，發(fā)表在Nano Letters上。研究工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和北京市自然科學基金的支持。

　　論文鏈接 

　　圖1.二維 Fe₃GeTe₂（FGT）單晶的晶體結(jié)構(gòu)和磁性。（a）層間范德華間隙的雙層結(jié)構(gòu)示意圖。（b）從ac和ab面分別觀察單層FGT晶體結(jié)構(gòu)示意圖。（c）X射線衍射圖譜，插圖是光學照片和勞厄衍射圖，顯示所看到的晶面為ab面。（d，e）[010]和[001]方向的高分辨STEM HAADF圖像。插圖顯示雙層Te原子的堆積結(jié)構(gòu)和Fe（2）-Ge層的六角環(huán)。（f）H//ab面和H//c軸條件下測得的ZFC和FC的磁熱曲線，二者在居里溫度之下不重合，表明FGT單晶具有不穩(wěn)定磁結(jié)構(gòu)特征。插圖為T=10K時磁化曲線，表明FGT單晶具有適中的磁晶各向異性。

　　圖2.（a-d）冷操作后，不同溫度下磁疇的欠焦洛倫茲照片；（a）中插圖為選區(qū)電子衍射，表明樣品表面為ab晶面。當溫度低于130K，條狀磁疇自發(fā)地出現(xiàn)，隨著溫度降低更加清晰可見；（e-f）在110K時，條狀磁疇隨外加磁場演化的欠焦洛倫茲照片；（e）插圖為外加磁場方向，垂直于ab晶面。隨著垂直磁場增加條狀磁疇（e）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇判运垢衩髯樱╢-g），并最終形成鐵磁態(tài)（h），比例尺為500nm。

　　圖3.（a-d）傾角場冷（600Oe）調(diào)控，溫度在93K時磁性斯格明子的欠焦洛倫茲照片。【插圖為傾角方向（a）α=-20°，（b）α=0°，（c）α=+20°，和（d）β=-10°】。（e，f）在93K、零場條件下拍攝的磁性斯格明子的欠焦和過焦洛倫茲圖像。比例尺為200nm。（g）結(jié)合（e）和（f）圖，TIE處理之后的磁性斯格明子晶格面內(nèi)自旋結(jié)構(gòu)。（h）單個磁性斯格明子面內(nèi)自旋結(jié)構(gòu)：各點磁化方向，如右下角色輪所示；磁性斯格明子的磁矩呈渦旋態(tài)排列，表明是布洛赫型磁性斯格明子。