在凝聚態(tài)物理的廣闊領(lǐng)域中，持續(xù)涌現(xiàn)的奇異現(xiàn)象預示著信息技術(shù)的革命性進步。其中，磁性斯格明子作為拓撲保護的自旋結(jié)構(gòu)脫穎而出，因其在下一代自旋電子器件中的潛在應(yīng)用而備受關(guān)注。這些納米級的磁化渦旋，類似于磁場中的結(jié)，展現(xiàn)出卓越的穩(wěn)定性、低電流驅(qū)動閾值以及與電子電流的獨特耦合。盡管許多研究都集中于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）系統(tǒng)中的斯格明子，但發(fā)表在《自然·通訊》對“受挫磁體中的自旋力矩斯格明子共振”的研究，特別是在像 Fe?Sn? 這樣的材料中，為理解和利用這些迷人實體開辟了新途徑。

受挫磁體中的斯格明子：一個新范式

傳統(tǒng)的斯格明子穩(wěn)定理論通常指向DMI，這是一種由于材料缺乏反演對稱性而產(chǎn)生的反對稱交換相互作用。然而，受挫磁體提供了一個替代范式。在這些系統(tǒng)中，競爭性的磁性相互作用阻止了簡單的鐵磁或反鐵磁基態(tài)的形成，從而導致了豐富多樣的復雜磁性構(gòu)型，包括螺旋相，當然也包括斯格明子。研究受挫磁體如 Fe?Sn? 中的自旋力矩斯格明子共振尤其引人注目，因為這種材料具有一些理想的特性：即使在高溫下也能保持斯格明子的高熱穩(wěn)定性、顯著的拓撲霍爾效應(yīng)，以及通過自感自旋力矩實現(xiàn)電流驅(qū)動螺旋度切換的有趣能力。這些特點使得 Fe?Sn? 成為探索新型自旋電子功能的極具吸引力的技術(shù)平臺。

實驗方法與關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)

上述研究的核心在于對 Fe?Sn? 中存在的自感自旋力矩所激發(fā)的電流驅(qū)動斯格明子共振的實驗演示。與傳統(tǒng)的自旋轉(zhuǎn)移力矩或自旋軌道力矩不同，自感自旋力矩源于傳導電子與磁性結(jié)構(gòu)本身的相互作用，這為在不需要額外層或外部磁場的情況下操縱斯格明子提供了一種高效的方式。通過采用時間分辨光學測量，研究人員能夠精確探測斯格明子的動力學行為，并區(qū)分不同的激發(fā)模式，從而對其振動和旋轉(zhuǎn)行為有了前所未有的深入了解。

這項研究的一個顯著發(fā)現(xiàn)，使其有別于DMI主導系統(tǒng)中的研究，是斯格明子只選擇性地激發(fā)了兩種特定模式：呼吸模式和逆時針旋轉(zhuǎn)模式。在DMI系統(tǒng)中，通常會觀察到三種模式，還包括一個順時針旋轉(zhuǎn)模式。順時針模式的缺失是一個關(guān)鍵的觀察結(jié)果，表明受挫磁性相互作用與自旋力矩機制之間存在獨特的相互作用。呼吸模式以斯格明子徑向膨脹和收縮為特征，而逆時針旋轉(zhuǎn)模式則是斯格明子圍繞自身軸線旋轉(zhuǎn)。這種選擇性激發(fā)暗示了受挫磁體中自旋力矩的各向異性性質(zhì)，其中某些自由度優(yōu)先與驅(qū)動電流耦合。

線寬展寬與平面霍爾測量

此外，研究揭示了一個顯著的現(xiàn)象：直流電流通過晶體時會調(diào)制斯格明子共振的線寬。這種線寬展寬是系統(tǒng)能量耗散的度量，為斯格明子動力學的微觀起源提供了關(guān)鍵線索。微磁模擬作為一種強大的磁性現(xiàn)象建模計算工具，在解開這個謎團方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。模擬有力地證明，觀察到的線寬展寬可歸因于一種有效阻尼狀自旋軌道力矩。這是一個重要的發(fā)現(xiàn)，因為它意味著即使沒有明確的重金屬層，阻尼狀自旋軌道力矩也可以在受挫磁體內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生，顯著影響斯格明子的動態(tài)響應(yīng)。從這些模擬中，提取了有效自旋霍爾電導率的定量測量值，估計約為 793±176(?/e)(Ωcm)^?1，為未來的器件設(shè)計提供了寶貴的材料參數(shù)。

輔助的平面霍爾測量也提供了對電子輸運機制的進一步見解。這些測量表明，雖然電子輸運的主要貢獻來自k空間拓撲特征，但實空間自旋結(jié)構(gòu)也存在微小但確定的貢獻。這強調(diào)了受挫磁體中電子和磁性自由度之間復雜的耦合，并凸顯了全面理解斯格明子動力學需要同時考慮這兩個方面的重要性。

研究意義

這項研究的意義是深遠的。首先，它為受挫磁體中自旋力矩的各向異性性質(zhì)提供了前所未有的深入了解。這種各向異性不僅僅是理論上的好奇；它對高效操縱和控制斯格明子在器件中具有實際意義。了解哪些模式優(yōu)先被激發(fā)以及它們的阻尼如何受電流影響，可以指導設(shè)計節(jié)能的斯格明子自旋電子電路。

其次，該研究提出了一項創(chuàng)新應(yīng)用：利用斯格明子共振作為高靈敏度自旋電流傳感器。通過自旋力矩對斯格明子動力學的精確控制以及其共振模式獨特的頻譜特征，可以用于檢測和表征復雜自旋電子結(jié)構(gòu)中的自旋電流。這為探索基本自旋現(xiàn)象和開發(fā)先進傳感技術(shù)開辟了新的可能性。

最后，這項研究為未來基于斯格明子的自旋電子器件的開發(fā)提供了關(guān)鍵指導。斯格明子因其固有的魯棒性、納米尺寸以及在低電流密度下可操縱的特性，被認為是下一代存儲、邏輯和神經(jīng)形態(tài)計算應(yīng)用的極具吸引力的候選者。通過闡明受挫磁體中自旋力矩斯格明子共振的基本機制，這項工作為設(shè)計具有優(yōu)化斯格明子特性的材料和器件奠定了基礎(chǔ)。精確控制和檢測斯格明子動力學是實現(xiàn)這些拓撲自旋結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用中全部潛力的先決條件。