王守國(guó) 等著
科學(xué)出版社

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內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書圍繞拓?fù)浯判圆牧吓c器件原理展開介紹，從拓?fù)浯艑W(xué)的起源、拓?fù)浯判圆牧系姆诸惣捌浒l(fā)展歷程出發(fā)，深入闡釋拓?fù)浯艑W(xué)及器件，重點(diǎn)介紹拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征以及器件工作原理等內(nèi)容，期望對(duì)讀者理解和掌握拓?fù)浯艑W(xué)和拓?fù)浯判圆牧系幕A(chǔ)理論、解決關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，以及從事相關(guān)領(lǐng)域的研究有所幫助。

本書主要面向拓?fù)浯判圆牧项I(lǐng)域的青年學(xué)者、材料物理專業(yè)的研究生及高年級(jí)本科生等。本書可以作為材料物理專業(yè)的參考書，亦可作為研究生相關(guān)專業(yè)的教學(xué)用書。

20世紀(jì)中葉，科學(xué)家們開始充分利用電子的電荷屬性，從二極管一直發(fā)展到當(dāng)今的超大規(guī)模集成電路，奠定了信息技術(shù)發(fā)展的基石，并引發(fā)了信息時(shí)代的到來(lái)。20世紀(jì)80年代，以巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為序幕，開啟了科學(xué)家們調(diào)控電子自旋屬性的偉大征程，以計(jì)算機(jī)硬盤讀頭為代表的自旋電子學(xué)由此誕生，隨后的三十余年是自旋電子學(xué)材料、物理與器件的高速發(fā)展期。受到超大規(guī)模集成電路耗散嚴(yán)重、超高存儲(chǔ)密度器件中超順磁極限及熱穩(wěn)定性等瓶頸限制，科學(xué)家們將繼續(xù)探索新型磁性功能材料，并開發(fā)相關(guān)器件。

拓?fù)湓臼且粋€(gè)數(shù)學(xué)名詞，主要研究幾何圖形或者空間在連續(xù)改變形狀后還能保持不變的某些特性，后面延展到物理和材料科學(xué)領(lǐng)域，拓?fù)浣^緣體是最早被發(fā)現(xiàn)的拓?fù)洳牧稀Ｍ負(fù)浯艑W(xué)與拓?fù)浯判圆牧鲜墙陙?lái)逐漸興起的一門新興學(xué)科，是磁學(xué)與磁性材料領(lǐng)域最重要的方向之一，以磁性斯格明子為典型代表的拓?fù)浯判圆牧显诮谌〉昧丝焖侔l(fā)展。

我國(guó)在拓?fù)浯艑W(xué)與磁性材料領(lǐng)域的起步與發(fā)達(dá)國(guó)家基本同步，但早期由于受到實(shí)驗(yàn)手段缺乏的限制，主要集中在理論計(jì)算和微磁學(xué)模擬等方面。隨著國(guó)家在基礎(chǔ)科研上的持續(xù)投入及科學(xué)家們的努力，我國(guó)在該領(lǐng)域的研究正蒸蒸日上，已經(jīng)具備了從理論計(jì)算、材料制備、拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征、物性測(cè)量與分析，到原理型器件研制的完整鏈條，正瞄準(zhǔn)國(guó)家重大需求，向具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的拓?fù)浯判云骷邪l(fā)與生產(chǎn)快速推進(jìn)。

該書圍繞拓?fù)浯判圆牧吓c器件原理展開介紹，從拓?fù)浯艑W(xué)的起源、拓?fù)浯判圆牧系姆诸惣捌浒l(fā)展歷程出發(fā)，深入闡釋拓?fù)浯艑W(xué)及器件，重點(diǎn)介紹拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征以及器件工作原理等內(nèi)容，期望對(duì)讀者理解和掌握拓?fù)浯艑W(xué)和拓?fù)浯判圆牧系幕A(chǔ)理論、解決關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，以及從事相關(guān)領(lǐng)域的研究有所幫助。

該書的第一作者王守國(guó)教授長(zhǎng)期從事磁學(xué)與磁性材料的研究，近期聚焦于拓?fù)浯判圆牧霞捌鋺?yīng)用等方面，該書的出版是他召集國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的青年學(xué)者共同努力的結(jié)果。希望該書能夠推動(dòng)拓?fù)浯艑W(xué)和拓?fù)浯判圆牧匣A(chǔ)知識(shí)的普及，吸引更多青年才俊從事拓?fù)浯判圆牧系难芯颗c相關(guān)器件的研發(fā)。

沈保根

中國(guó)科學(xué)院院士

2025年2月

前言

拓?fù)浯艑W(xué) (topological magnetism) 與拓?fù)浯判圆牧?(topological magnetic materials) 是近年來(lái)逐漸興起的新興學(xué)科，已成為磁學(xué)與磁性材料領(lǐng)域最重要的方向。拓?fù)浯艑W(xué)與拓?fù)浯判圆牧系母拍钭钤缡怯芍袊?guó)科學(xué)家于2011年提出的，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，中國(guó)科學(xué)家在拓?fù)浯艑W(xué)與拓?fù)浯判圆牧项I(lǐng)域的研究正蒸蒸日上，已經(jīng)具備了從理論計(jì)算、材料制備、拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征、物性測(cè)量與分析，到原理型器件研制的完整鏈條，因此亟須一本介紹拓?fù)浯艑W(xué)基本概念、實(shí)驗(yàn)手段、計(jì)算方法、物性表征以及應(yīng)用進(jìn)展等內(nèi)容的參考書。本書的構(gòu)思正是在這樣的背景下產(chǎn)生的。

本書共12章。第1章“緒論”，介紹拓?fù)浯艑W(xué)和拓?fù)浯判圆牧系钠鹪春桶l(fā)展歷程，闡述了拓?fù)浯判圆牧系囊话阈苑诸悾攸c(diǎn)介紹斯格明子。

第2章和第3章分別介紹由DM相互作用所產(chǎn)生的體拓?fù)浯判圆牧虾捅∧げ牧希攸c(diǎn)闡述拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)與手性、磁性薄膜、異質(zhì)結(jié)、多層膜等。

第4章“二維拓?fù)浯判圆牧稀保榻B二維磁性材料中的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述其中的新現(xiàn)象和新物理。

第5章“非DM相互作用的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)”，介紹人工拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)和阻挫等，重點(diǎn)闡述人工二維斯格明子晶體的理論構(gòu)建和實(shí)驗(yàn)工作。

第6章“拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征”，介紹多種磁結(jié)構(gòu)表征手段和技術(shù)，重點(diǎn)闡述洛倫茲透射電鏡、光發(fā)射電子顯微鏡、自旋極化低能電子顯微鏡和中子散射技術(shù)等。

第7章“拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的調(diào)控”，介紹拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的多場(chǎng)調(diào)控，重點(diǎn)闡述斯格明子、磁浮子和磁束子的產(chǎn)生、運(yùn)動(dòng)及湮滅。

第8 章“拓?fù)浯判圆牧现械妮斶\(yùn)性質(zhì)”，介紹與拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)相關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象，重點(diǎn)闡述拓?fù)浠魻栃?yīng)與拓?fù)渥孕魻栃?yīng)。

第9章“拓?fù)浯艑W(xué)計(jì)算與模擬”，介紹微磁學(xué)模擬和第一性原理計(jì)算，重點(diǎn)闡述相關(guān)理論和多種相互作用對(duì)拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的影響。

第10章“器件設(shè)計(jì)與工作原理”，介紹基于拓?fù)浯判圆牧系钠骷ぷ髟恚攸c(diǎn)闡述賽道存儲(chǔ)器、邏輯器件、微波器件和非傳統(tǒng)計(jì)算器件。

第11 章“磁性拓?fù)潴w系中的拓?fù)潆娮优c磁結(jié)構(gòu)”，介紹磁性拓?fù)湮飸B(tài)和材料，重點(diǎn)闡述磁性外爾費(fèi)米子和磁性拓?fù)浒虢饘佟?/p>

第12 章“總結(jié)與展望”，介紹拓?fù)浯艑W(xué)與拓?fù)浯判圆牧衔磥?lái)的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)闡述三維拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、觀測(cè)與應(yīng)用。

本書的編寫得到了中國(guó)科學(xué)院物理研究所沈保根院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張?jiān)：阍菏康拇罅χС郑虮８菏繛楸緯珜懥诵颍灰驳玫搅税不沾髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院、物理與光電工程學(xué)院老師們的大力支持，他們就編寫的思路、框架結(jié)構(gòu)、各章節(jié)內(nèi)容等方面提出了寶貴意見，在此對(duì)他們表示衷心的感謝。

本書的構(gòu)思和審核等工作由王守國(guó)教授主持，通稿、初審和校訂工作由楊蒙蒙、于國(guó)強(qiáng)和許家旺等老師完成。本書各章節(jié)負(fù)責(zé)人分別為王守國(guó)(第1章和第12章)，雷和暢(第2章)，吳義政(第3章)，楊洪新(第4章)，丁海峰(第5章)，于國(guó)強(qiáng)(第6章)，杜海峰(第7章)，劉藝舟(第8章)，袁喆、趙國(guó)平、楊洪新(第9章)，江萬(wàn)軍(第10章)，劉恩克(第11章)。參與本書編寫工作的老師還包括：田明亮、張志東、周仕明、唐文新、高春雷、朱濤、張穎、周艷、宋東升、張石磊、吳昊、楊蒙蒙、陳宮、湯進(jìn)、馬天平、張靜言、趙云馳、韋文森、崔琪睿、 王鵬飛、王偉偉、梁敬華、寇煦豐、申建雷、曾慶祺、葉堉、白鶴、高陽(yáng)、田尚 杰、郭雅琴等。

由于作者水平所限，書中難免存在疏漏和不足之處，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

王守國(guó)

2025年1月于合肥

章節(jié)試讀

第4章 二維拓?fù)浯判圆牧?/strong>

4.1

二維拓?fù)浯判圆牧虾?jiǎn)介

4.1.1 二維磁性材料

2004 年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的蓋姆(Geim)和諾沃肖洛夫 (Novoselov) 兩位教授，通過(guò)機(jī)械剝離的方法，從塊狀石墨中得到了石墨烯 (圖4-1(a))，并證明了其優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)[1]，即電荷載流子具有極高的本征遷移率和為零的有效質(zhì)量。石墨烯在具有良好導(dǎo)熱性、柔韌性和不透氣性的同時(shí)，其倒空間中特殊的狄拉克錐形能帶為各種量子輸運(yùn)物理效應(yīng)研究提供了平臺(tái)[2?8]。石墨烯的出現(xiàn)開啟了二維層狀材料領(lǐng)域的研究熱潮，Geim和 Novoselov也因?yàn)槭┑陌l(fā)現(xiàn)而獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而石墨烯并不適用于常規(guī)器件應(yīng)用，例如，石墨烯的零帶隙極大地限制了它在半導(dǎo)體邏輯器件中的應(yīng)用。盡管包括施加垂直電場(chǎng)、構(gòu)建石墨烯納米條帶、氫化石墨烯等在內(nèi)的多種方法被證明可以打開石墨烯帶隙，但邏輯器件所需的高遷移率和高開關(guān)比卻很難同時(shí)保持[9?11]。

圖4-1 (a) 石墨烯晶體結(jié)構(gòu); (b) 二維金屬二硫族化合物結(jié)構(gòu)；二維本征磁性材料(c) Cr2Ge2Te6 與 (d) CrI3 晶體結(jié)構(gòu)與磁光克爾信號(hào)[29,30]

二維金屬二硫族化合物(TMDC)是另一大類層狀二維材料，分子式為MX2 (圖4-1(b))。硫族元素X包括S、Se和Te，過(guò)渡金屬M(fèi) 幾乎包含d區(qū)所有金屬元素。通過(guò)組合不同的元素來(lái)構(gòu)建TMDC，可以實(shí)現(xiàn)包括金屬、半導(dǎo)體和絕緣體在內(nèi)的各種物態(tài)。調(diào)整堆疊TMDC半導(dǎo)體層的數(shù)量，體系帶隙的大小可以發(fā)生顯著變化，并伴隨著直接帶隙–間接帶隙的轉(zhuǎn)變[12?16]。隨著研究的深入，人們還發(fā)現(xiàn)了能谷特性、電子各向異性輸運(yùn)、量子自旋霍爾效應(yīng)、電荷密度波和鐵電金屬等奇異物性[17?26]。此外，TMDC半導(dǎo)體具有高的載流子遷移率和空氣穩(wěn)定性。其天然的超薄結(jié)構(gòu)可以將載流子限制在界面1 nm的空間內(nèi)，在工藝節(jié)點(diǎn)縮小的情況下能有效抑制晶體管的短溝道效應(yīng)，降低器件功耗[27]。

由于原子層厚度方向上的量子局限效應(yīng)，二維材料展示出與其對(duì)應(yīng)的三維體系截然不同的性質(zhì)，因此受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。盡管人們?cè)鴩L試?yán)媒徯?yīng)、缺陷工程和元素?fù)诫s等手段在二維體系中引入磁性，但長(zhǎng)程磁有序卻長(zhǎng)期未能在二維材料中實(shí)現(xiàn)。1966年，Mermin和Wagner[28]利用博戈留波夫(Bogoliubov)不等式在理論上嚴(yán)格證明，由于熱擾動(dòng)的影響，長(zhǎng)程鐵磁序與反鐵磁序均無(wú)法出現(xiàn)在各向同性二維海森伯模型中。這一結(jié)論又稱Mermin-Wagner定理。2017 年，華盛頓大學(xué)的Xu團(tuán)隊(duì)和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的Zhang團(tuán)隊(duì)，從實(shí)驗(yàn)上分別在單層CrI3和雙層Cr2Ge2Te6上(圖4-1(c)和(d))觀測(cè)到二維鐵磁長(zhǎng)程序。他們均使用了高靈敏度的磁光克爾顯微鏡探測(cè)磁信號(hào)，確定單層CrI3和雙層Cr2Ge2Te6中的居里溫度分別達(dá)到45 K和30 K[29,30]。人們認(rèn)為這兩種材料中的垂直磁各向異性的存在打破了Mermin-Wagner定理。垂直磁各向異性可以誘導(dǎo)出自旋波色散能譜中的激發(fā)帶隙，從而使長(zhǎng)程磁有序在有限溫度下存在。由于磁矩確定性的指向垂直于材料平面的方向，二維CrI3又稱伊辛(Ising)磁體；而Cr2Ge2Te6的磁矩可以指向三維空間中的其他方向，因此Cr2Ge2Te6又稱海森伯磁體。此后，越來(lái)越多的具有高居里溫度的二維鐵磁體被報(bào)道，例如MnSe2 (TC約300 K)、VSe2 (TC約330 K)和Fe3GeTe2 (TC約120 K)[31?33]。區(qū)別于CrI3和Cr2Ge2Te6，F(xiàn)e3GeTe2作為鐵磁性金屬具有巡游磁性。值得注意的是，二維長(zhǎng)程反鐵磁序也在實(shí)驗(yàn)上通過(guò)拉曼光譜測(cè)量在FePS3、NiPS3和MnPS3等薄膜中被發(fā)現(xiàn)[34?36]。最近，Pinto等利用X射線磁圓/線二色譜證實(shí)了在石墨 烯/6H-SiC(0001)上生長(zhǎng)的單層CrCl3具有面內(nèi)磁有序，該體系因此又稱2D-XY磁體[37]。對(duì)于2D-XY磁體，垂直磁各向異性不再是維持磁有序的必要條件，同時(shí)Berezinsky-Kosterlitz-Thouless(BKT)相變會(huì)在一定溫度下出現(xiàn)[38?42]。本征二維磁體由于其獨(dú)特有趣的物理特性，為自旋電子學(xué)研究提供了一個(gè)新穎的平臺(tái)[43]。 Song等[44]利用CrI3構(gòu)建范德瓦耳斯鐵磁性隧道結(jié)，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)19000％的隧穿磁電阻比值；此外，Cardoso等[45]提出了范德瓦耳斯自旋閥概念，即雙層石墨烯夾在兩層單層CrI3之間，雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)可以直接通過(guò)CrI3之間的磁耦合行為控制。利用離子液體電壓調(diào)控的方法，在少層Fe3GeTe2中，Deng等[32]發(fā)現(xiàn)可以將居里溫度提升到室溫。在Fe3GeTe2/Pt異質(zhì)結(jié)中，Wang等[46]實(shí)現(xiàn)了自旋軌道力矩驅(qū)動(dòng)的磁化方向翻轉(zhuǎn)。更重要的是，新發(fā)現(xiàn)的二維磁體可以與其他非磁的二維材料組成各種不同特性的范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)，為研究磁電耦合或磁光耦合等新奇物理效應(yīng)提供了豐富的材料基礎(chǔ)。例如，由于磁近鄰效應(yīng)，量子反常霍爾效應(yīng)、反常能谷霍爾效應(yīng)和非線性手性邊緣態(tài)等電子輸運(yùn)行為均被證 實(shí)可以在基于二維磁體的范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)[47?52]。

4.1.2 二維磁性材料中的 DM 相互作用與拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)

DM 相互作用是一個(gè)基本的磁相互作用。由于其在實(shí)空間拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)形成中的關(guān)鍵作用，在過(guò)去的二十年中受到了廣泛的關(guān)注。1958年，Dzyaloshinskii首次提出這種相互作用，并用于解釋某些反鐵磁晶體，例如α-Fe2O3、MnCO3和CoCO3中的弱鐵磁性[53]。這些反鐵磁晶體的自由能中應(yīng)包含一個(gè)反對(duì)稱能量項(xiàng)： EDMI=Dij·(Si×Sj )。與支持自旋共線排列的海森伯交換耦合不同，DM相互作用傾向于使自旋相互垂直排布。兩種相互作用之間的競(jìng)爭(zhēng)最終導(dǎo)致反鐵磁耦合的自旋偏離共線方向，傾斜一定角度，從而在反鐵磁晶體中產(chǎn)生弱鐵磁性。1960年，Moriya通過(guò)擴(kuò)展Anderson的超交換相互作用理論，證明了在中心反演對(duì)稱 破缺的磁性絕緣體中，DM相互作用是由自旋–自旋超交換與自旋軌道耦合共同作用產(chǎn)生的[54,55]。Moriya同時(shí)給出了DM矢量與晶體對(duì)稱性之間的特定關(guān)系，稱為Moriya 定則。1980年，F(xiàn)ert和Levy基于RKKY交換理論闡明了在CuMn自旋玻璃合金中，兩個(gè)磁性原子之間的DM相互作用是由非磁性雜質(zhì)對(duì)傳導(dǎo)電子的自旋軌道散射引起[56,57]。Fert-Levy型DM向量可以寫為

其中，Rli (Rlj )、Rli 分別代表磁性原子和非磁性雜質(zhì)之間，以及磁性原子和磁性原子之間的距離向量；V1是自旋軌道耦合決定的材料參數(shù)，與雜質(zhì)元素d軌道的自旋軌道耦合強(qiáng)度成正比；Zd代表了d軌道電子數(shù)目。在Fert-Levy模型中，DM相互作用取決于磁性原子和非磁性雜質(zhì)的相對(duì)位置，以及雜質(zhì)元素的自旋軌 道耦合作用強(qiáng)度。2015年，Zhang等提出由自旋極化電子傳導(dǎo)的DM相互作用也可以來(lái)源于拉什巴(Rashba)型自旋軌道耦合，即Rashba型DM相互作用[58]。

DM 相互作用在實(shí)空間中各種拓?fù)浯判詼?zhǔn)粒子(如斯格明子、磁浮子和磁雙磁半子等)的形成和穩(wěn)定中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[59,60]。由于具備小尺寸、形態(tài)穩(wěn)定、電流可調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，斯格明子有望成為下一代高密度、低能耗自旋電子學(xué)器件中的信息載體。斯格明子起初是在非中心對(duì)稱的B20晶體中被發(fā)現(xiàn)，如MnSi、FeCoSi和FeGe[61?63]。在過(guò)去十幾年中，人們同時(shí)致力于在鐵磁金屬/重金屬多層膜中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)DM相互作用從而誘導(dǎo)出室溫穩(wěn)定的斯格明子[64?67]。2018 年，Yang 等[68]通過(guò)構(gòu)建石墨烯/鈷異質(zhì)結(jié)，在界面處實(shí)現(xiàn)電勢(shì)梯度所導(dǎo)致的Rashba 型DM相互作用，從而擺脫了傳統(tǒng)體系中重金屬元素的限制[68]。最近，二維磁體因其新穎的物理特性而受到了研究者的廣泛關(guān)注。它們有望取代傳統(tǒng)的塊體磁性材料或者磁性多層膜，從而促進(jìn)超小型化自旋電子學(xué)器件的發(fā)展。理論和實(shí)驗(yàn)工作都表明，二維磁體及其異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)DM相互作用和穩(wěn)定拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)。通過(guò)第一性原理計(jì)算，在沒有中心反演對(duì)稱性的二維雅努斯(Janus)磁體中， Liang等[69]首先證明可以出現(xiàn)強(qiáng)的DM相互作用。他們發(fā)現(xiàn)MnSeTe 和MnSTe單層的各向同性DM相互作用(圖4-2(a))分別達(dá)到2.14 meV和2.63 meV。這些數(shù)值可以與傳統(tǒng)的鐵磁金屬/重金屬異質(zhì)結(jié)相媲美，例如Co/Pt[70]和Fe/Ir[71]界面。進(jìn)一步分析顯示，強(qiáng)DM相互作用來(lái)源于二維Janus磁體中的重元素Te，為Fert-Levy型DM相互作用。蒙特卡羅模擬揭示，DM相互作用、鐵磁交換耦合和磁各向異性的競(jìng)爭(zhēng)會(huì)導(dǎo)致手性磁疇壁的出現(xiàn)，且通過(guò)施加外部磁場(chǎng)，疇壁會(huì)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)槟螤栃退垢衩髯?圖4-2(a))。在其他的二維Janus磁體中，也預(yù)測(cè)了各向同性DM相互作用及拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，例如Cr(I, X)3 (X=Cl, Br), CrTeX (X=S, Se), CrGe(Se,Te)3, 1T-VXY (X≠Y; X, Y=S, Se, Te), MnBi2(Se, Te)4, CrInX3 (X=Te, Se)和ACrX2 (A=Li, Na; X=S, Se, Te) 單層薄膜[72-78]。值得注意的是，各向異性DM相互作用及其誘導(dǎo)的反斯格明子(圖4-2(b))，也被證明可以在具有對(duì)稱性的二維磁體中實(shí)現(xiàn)，如AX2[79]和ACuX2[80]單層薄膜(A為3d過(guò)渡金元素，X為第VI或第VII主族元素)。各向異性DM相互作用在互相垂直的兩個(gè)晶向上分別支持具有相反手性的自旋螺旋。

圖4-2 (a) 二維Janus磁體晶體結(jié)構(gòu)與各向同性DM相互作用誘導(dǎo)的斯格明子晶格[69]； (b) 二維磁體與各向異性DM相互作用誘導(dǎo)的反斯格明子[79]；(c) Fe3GeTe2/WTe2磁性范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)示意圖與洛倫茲透射電鏡觀測(cè)的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)[81]；(d)Cr2Ge2Te6/Fe3GeTe2磁性范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)示意圖與拓?fù)浠魻栃?yīng)信號(hào)[82]

通過(guò)實(shí)驗(yàn)構(gòu)建WTe2/Fe3GeTe2磁性范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)，Wu等[81]實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)的界面DM相互作用，其強(qiáng)度達(dá)到了1 mJ/m2，他們通過(guò)洛倫茲透射電鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，DM相互作用使得WTe2/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié)中出現(xiàn)了奈爾型斯格明子與手性磁疇壁(圖4-2(c))。后來(lái)，Wu等[82]還在CrGeTe3/Fe3GeTe2雙磁性材料范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)中觀測(cè)到了兩種不同的DM相互作用，并分別在CrGeTe3和Fe3GeTe2中誘導(dǎo)出了不同類型的斯格明子(圖 4-2(d))，該結(jié)論被拓?fù)浠魻栃?yīng)所證實(shí)。在氧化Fe3GeTe2/Fe3GeTe2異質(zhì)結(jié)中，Park等[83]也觀測(cè)到了界面 DM相互作用誘導(dǎo)的奈爾型斯格明子晶格。上述材料體系都是利用不同二維材料組成中心反演對(duì)稱破缺的異質(zhì)結(jié)，進(jìn)而在界面上實(shí)現(xiàn)DM相互作用。

4.1.3 二維拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)調(diào)控及單賽道斯格明子基邏輯門

拓?fù)浯判詼?zhǔn)粒子作為信息載體，實(shí)現(xiàn)其有效控制是自旋電子學(xué)器件中的關(guān)鍵一步。磁場(chǎng)、極化電流、熱擾動(dòng)、應(yīng)力、光激發(fā)和電場(chǎng)等手段均被證明可以用于操控斯格明子。基于蒙特卡羅模擬，Liang等發(fā)現(xiàn)，垂直磁場(chǎng)可以使二維磁體中的手性磁疇壁轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯泳Ц衽c孤立斯格明子。更進(jìn)一步，Cui等發(fā)現(xiàn)，外加應(yīng)力可以顯著增強(qiáng)二維磁體中的海森伯交換耦合強(qiáng)度和垂直磁各向異性，進(jìn)而降低產(chǎn)生斯格明子的臨界磁場(chǎng)[69,84]。值得注意的是，斯格明子的全電學(xué)調(diào)控近年來(lái)引起了研究人員的廣泛興趣。相較于其他手段，利用電場(chǎng)調(diào)控磁性具有響應(yīng)速度快、功耗低、易與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件兼容等優(yōu)點(diǎn)[85?88]。二維多鐵性材料由于兼具鐵電性、長(zhǎng)程磁有序和中心反演對(duì)稱破缺等多種材料屬性，為實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)控制DM相互作用手性進(jìn)而控制拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)提供了理想的平臺(tái)。Liang等[89]發(fā)現(xiàn)，單層多鐵性材料(如CrN、CuVP2Se6和CuCrP2Se6)中的面外極化翻轉(zhuǎn)可以翻轉(zhuǎn)DM相互作用的手性，見圖4-3(a)，他們隨之定義了由中心磁化方向和手性決定的斯格明子多重態(tài)，并證明了斯格明子的全電學(xué)調(diào)控。Xu等通過(guò)第一性原理計(jì)算表明：電場(chǎng)可以翻轉(zhuǎn)VOI2單層的面內(nèi)極化，從而導(dǎo)致DM相互作用的手性翻轉(zhuǎn)[90]。蒙特卡羅模擬進(jìn)一步表明，由于DM相互作用矢量的反轉(zhuǎn)，VOI2單層中磁性雙磁 半子的拓?fù)浜煽梢园l(fā)生從?1到+1的轉(zhuǎn)變(圖4-3(b))。值得注意的是，Shao等[91]提出將磁性原子嵌入雙層過(guò)渡族金屬硫化物之間，構(gòu)建新型二維多鐵性材料，并通過(guò)微磁學(xué)模擬證實(shí)了材料中斯格明子四重態(tài)的出現(xiàn)(圖4-3(c))，為實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)提供了更多候選材料。除去本征的二維多鐵體系之外，利用二維磁體和二維鐵電材料構(gòu)建的多鐵性范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)，同樣可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)對(duì)拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的調(diào)控。由于異質(zhì)結(jié)天然的對(duì)稱破缺，二維磁體中可能被誘導(dǎo)出強(qiáng)的DM相互作用；鐵電襯底極化翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的界面電荷重分布同時(shí)會(huì)影響二維磁體中的各項(xiàng)磁相互作用參數(shù)。例如，Sun等[92]發(fā)現(xiàn)室溫二維鐵電材料In2Se3的極化方向可以決定LaCl/In2Se3異質(zhì)結(jié)中雙磁半子的產(chǎn)生和湮滅(圖4-3(d))，磁性拓?fù)錅?zhǔn)粒子的產(chǎn)生和消失可以作為電子器件中“1”和“0”信息比特，進(jìn)而完成相應(yīng)信息的編碼與存儲(chǔ)。Cui等[93]還提出了基于二維Janus磁體的多鐵性異質(zhì)結(jié)控制拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的策略。他們證明了不同種類的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)包括渦旋/反渦旋回路，雙磁半子和斯格明子均可能出現(xiàn)在這一異質(zhì)結(jié)體系中，并且改變鐵電襯底的極化可以使得不同種類的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)互相轉(zhuǎn)換。

圖4-3 (a) 電場(chǎng)控制垂直極化二維多鐵性材料中DM相互作用手性翻轉(zhuǎn)，與中心磁化方向與DM相互作用手性定義的斯格明子多重態(tài)[89]；(b) 電場(chǎng)控制面內(nèi)極化二維多鐵性材料中DM相互作用手性翻轉(zhuǎn)，與面內(nèi)極化方向定義的雙磁半子拓?fù)浜蒣90]；(c) 基于過(guò)渡族硫化物插層磁性金屬原子構(gòu)建二維多鐵性體系實(shí)現(xiàn)斯格明子電學(xué)調(diào)控[91]；(d) 二維多鐵性范德瓦耳斯材料中鐵電襯底的極化方向控制雙磁半子出現(xiàn)與湮滅[92]；(e) 單賽道斯格明子邏輯門示意圖[92]

這些研究結(jié)果顯示，二維磁性材料將為拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的研究提供材料基礎(chǔ)，同時(shí)為自旋電子學(xué)器件設(shè)計(jì)提供新思路。基于電場(chǎng)翻轉(zhuǎn)單層多鐵性材料中DM相互作用手性這一概念，Yang等[94]設(shè)計(jì)出了斯格明子單賽道邏輯器件。斯格明子的運(yùn)動(dòng)方向決定于極化電流方向和斯格明子自身的手性。當(dāng)極化電流方向保持不變時(shí)，具有不同手性的斯格明子會(huì)沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)。通過(guò)微磁學(xué)模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)DM手性勢(shì)壘可以對(duì)單個(gè)斯格明子起到釘扎作用；改變單賽道中DM手性勢(shì)壘的種類與分布，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)斯格明子對(duì)的產(chǎn)生、湮滅與分流。因此，包 括“與”、“或”、“非”、“異或”、“或非”、“與非”、“異或非” 在內(nèi)的完備的邏輯運(yùn)算，都可以在斯格明子單賽道邏輯器件中完成(圖4-3(e))。

4.2

拓?fù)?反) 磁半子

4.2.1 磁半子的自旋構(gòu)型和拓?fù)浜?/strong>

磁半子起源于Yang-Mills理論[95]，起初在粒子物理中用來(lái)描述夸克禁閉，僅以成對(duì)的方式出現(xiàn)[96]。理論預(yù)測(cè)磁半子態(tài)能夠存在于量子霍爾液體[97,98]和手性磁性薄膜[99]等凝聚態(tài)體系中。在磁性材料中，磁半子是區(qū)別于斯格明子的另一種拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)，其中心自旋朝上或朝下，而邊緣自旋沿著面內(nèi)方向。圖4-4上展示了磁半子和反磁半子的結(jié)構(gòu)示意圖[100]，由中心自旋向最外圍面內(nèi)磁矩逐漸過(guò)渡，將該結(jié)構(gòu)的所有磁矩矢量重新排布能夠占球面的一半，因此磁半子可視為斯格明子的一半。

圖4-4 渦旋態(tài)和反渦旋態(tài)的磁半子和反磁半子自旋結(jié)構(gòu)示意圖及分類[100,102]

磁半子的拓?fù)浜捎蓽u量w 和極性p共同決定，圖4-4列出了不同構(gòu)型的磁半子與反磁半子示意圖：當(dāng)磁結(jié)構(gòu)為渦旋態(tài)時(shí)w=1，反渦旋態(tài)時(shí)w=?1；中心磁矩朝上時(shí)p=1，中心磁矩朝下時(shí)p=?1。磁半子的拓?fù)浜煽捎蒒=pw/2計(jì)算得到，其絕對(duì)值為1/2，符號(hào)則由w 和p 的相對(duì)符號(hào)所確定，其中磁半子具有負(fù)的拓?fù)浜桑创虐胱油負(fù)浜蔀檎齕101,102]。除了以上渦旋型的排布，磁半子還具有沿徑向的擺線型自旋排布方式，與奈爾型斯格明子類似，也稱為刺猬型[103]。

4.2.2 磁半子的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)上，磁半子結(jié)構(gòu)最早發(fā)現(xiàn)于坡莫合金多層膜中。2012年，在NiFe/Cr/NiFe多層膜納米盤中，Phatak等[104]首次通過(guò)洛倫茲透射電鏡觀察到磁半子對(duì)，隨后Wintz等[105]利用掃描透射X射線顯微鏡，在Co/Rh/NiFe納米盤中發(fā)現(xiàn)磁半子態(tài)。理論研究進(jìn)一步表明，在具有面內(nèi)各向異性的手性磁體中，能夠同時(shí)存在 磁半子和反磁半子[106]。2018 年，在手性磁體Co8Zn9Mn3 中，Yu等[101]通過(guò)洛倫茲透射電鏡，驗(yàn)證了磁半子–反磁半子晶格的存在。該組分的磁各向異性能夠通過(guò)磁場(chǎng)和溫度進(jìn)行協(xié)同調(diào)控，得到了六角斯格明子晶格向立方磁半子–反磁半子晶格的轉(zhuǎn)變。圖4-5為理論預(yù)測(cè)和洛倫茲透射電鏡觀測(cè)到的立方磁半子–反磁半子晶格，磁半子和反磁半子結(jié)構(gòu)也可以合稱為雙磁半子，其拓?fù)浜傻暮蜑椤?。此外，在極化四方外爾半金屬CeAlGe[107]中通過(guò)中子衍射也觀察到了磁半子–反磁半子晶格，其類型為擺線型而非渦旋型。

磁疇壁具有天然的磁矩螺旋過(guò)渡和尺寸限制作用。根據(jù)磁矩過(guò)渡方式的不同，磁疇壁可分為布洛赫型和奈爾型兩種類型。通過(guò)改變溫度和材料組分等方法調(diào)控磁相互作用，可以使磁疇壁轉(zhuǎn)變成斯格明子和磁半子等拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)。Zhang等[108]在二維范德瓦耳斯鐵磁材料Fe5?xGeTe2中，首次觀察到了一種由180?磁疇壁演變形成的新型拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)——疇壁磁半子鏈。如圖4-6(a)所示，F(xiàn)e5?xGeTe2具有中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e-Ge-Te層沿著c 軸堆垛，實(shí)驗(yàn)中Fe:Ge:Te的平均原子百分比為4.78(4):1:2.13(1)，具有Fe原子的空位。通過(guò)利用聚焦離子束(FIB)制備[110]方向的 Fe5?xGeTe2薄片，對(duì)其進(jìn)行原位的洛倫茲透射電鏡變溫觀察。在低于居里溫度(275 K)時(shí)形成具有黑白襯度疇壁的傳統(tǒng)180?磁疇，繼續(xù)降溫，連續(xù)的180?磁疇壁逐漸斷裂形成鏈狀結(jié)構(gòu)(200～180 K)，之后又轉(zhuǎn)變回連續(xù)的180?疇壁(120 K)。利用強(qiáng)度傳輸方程解析小尺寸(20 nm)、高線密度(24 μm?1)的鏈狀磁疇(180 K)，分別得到逆時(shí)針(圖4-6(b)) 和順時(shí)針(圖4-6(e)) 旋轉(zhuǎn)排布的拓?fù)浯女牻Y(jié)構(gòu)。中間黑色區(qū)域代表中心磁矩朝向面外，而邊緣磁矩與180?面內(nèi)磁疇連接過(guò)渡。這種中心面外排布而邊緣面內(nèi)排布的渦旋型自旋結(jié)構(gòu)是典型的磁半子結(jié)構(gòu)[102]。不同于由一個(gè)周期正弦型螺旋磁結(jié)構(gòu)演變而來(lái)的斯格明子，180?疇壁處的自旋非線性排布為正弦型螺旋周期的一半。圖4-6(f)展示了傳統(tǒng)180?磁疇結(jié)構(gòu)，磁疇壁兩側(cè)具有半周期的布洛赫型螺旋磁排布，相對(duì)應(yīng)的自旋分布以及順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的磁半子結(jié)構(gòu)如圖4-6(g)和(h) 所示。盡管洛倫茲透射電鏡解析結(jié)果無(wú)法確定中心面外磁矩的極性，但根據(jù)磁半子的定義[102]以及手性守恒，兩邊疇壁鏈極性應(yīng)該分別具有相同的朝里(磁半子)或者朝外(反磁半子)的磁矩方向，在這里統(tǒng)一用磁半子–反磁半子來(lái)表示，圖中示意了中心磁矩朝里的結(jié)果。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)揭示了疇壁拓?fù)鋺B(tài)的生成機(jī)理為，降溫過(guò)程中磁各向異性由c 方向到ab 面轉(zhuǎn)變時(shí)的自旋重取向誘發(fā)，同時(shí)受到磁疇壁的限制以及c 方向弱范 德瓦耳斯共同作用而形成。

圖4-5 手性磁體Co8Zn9Mn3中的立方磁半子–反磁半子晶格[101] (a)～(d) 四種磁半子和反磁半子結(jié)構(gòu)示意圖；(e) 立方磁半子–反磁半子晶格模擬圖；(f) 洛倫茲透射電鏡觀察到的立方磁半子–反磁半子晶格磁矩分布圖

在具有自旋重取向的非晶亞鐵磁薄膜Gd15+x(Fe94Co6)85?x(x=0.2) 中進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了疇壁磁半子與疇壁斯格明子之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演變[109]。圖4-7(a) 為薄膜結(jié)構(gòu)示意圖，其中GdFeCo的厚度為40 nm，圖4-7(b)為樣品面內(nèi)以及面外剩磁隨溫度的變化，可以看出薄膜在290 K附近發(fā)生了自旋重取向。利用洛倫茲透射電鏡對(duì)磁疇結(jié)構(gòu)隨溫度的變化進(jìn)行表征，通過(guò)相同條件的強(qiáng)度傳輸方程解析能夠得到升溫過(guò)程中，面內(nèi)磁矩分量逐漸轉(zhuǎn)向面外。圖4-7(c)～(i)展示了疇壁處磁結(jié)構(gòu)的變化以及相應(yīng)的結(jié)果解析。在243 K下疇壁處具有黑和白的襯度，對(duì)應(yīng)了磁半子對(duì)的結(jié)構(gòu)。隨著溫度升高，白色襯度逐漸消失，在300 K下分立的黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)斯格明子結(jié)構(gòu)。圖4-8(a)和(c)分別為磁半子對(duì)和斯格明子的強(qiáng)度傳輸方程解析結(jié)果。利用自旋重取向?qū)?yīng)的磁性參數(shù)進(jìn)行微磁學(xué)模擬，可以得到拓?fù)浯女牭霓D(zhuǎn)變過(guò)程(圖4-8(e)～(h))。磁半子對(duì)和斯格明子所對(duì)應(yīng)的洛倫茲透射電鏡模擬圖(圖4-8(d)和(i))與實(shí)驗(yàn)觀察一致。這些實(shí)驗(yàn)中觀察到了疇壁磁半子對(duì)向斯格明子的轉(zhuǎn)變，確定了自旋重取向?qū)е碌拇女牨谕負(fù)浣Y(jié)構(gòu)演變的微觀機(jī)制，為探索新型拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)提供了一個(gè)全新的平臺(tái)。

圖4-6 [110] 方向的Fe5?xGeTe2中的疇壁磁半子鏈結(jié)構(gòu)[108] (a) Fe5?xGeTe2晶體結(jié)構(gòu)示意圖；(b)、(e) 通過(guò)強(qiáng)度傳輸方程解析得到的框區(qū)域內(nèi)磁矩分布放大圖；(c) 250 K下傳統(tǒng)180?磁疇結(jié)構(gòu)洛倫茲透射電鏡欠焦圖，標(biāo)尺為1 μm；(d) 在降溫過(guò)程中傳統(tǒng)疇壁向磁半子–反磁半子對(duì)轉(zhuǎn)變的實(shí)空間觀察；(e) 180?疇壁對(duì)三維結(jié)構(gòu)示意圖，180?布洛赫型疇壁對(duì)的磁矩排布示意圖以及對(duì)應(yīng)形成； (f) 逆時(shí)針和 (g) 順時(shí)針的磁半子結(jié)構(gòu)

圖4-7 非晶亞鐵磁GdFeCo薄膜中的磁疇演變[109] (a) GdFeCo薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 面內(nèi)和面外剩磁與溫度的關(guān)系；(c) 243 K下選框內(nèi)疇壁處的強(qiáng)度傳輸方程解析面內(nèi)磁矩分量；(d)～(h) 升溫過(guò)程中的洛倫茲透射電鏡過(guò)焦圖；(i) 300 K下選框內(nèi)疇壁處的強(qiáng)度傳輸方程解析面內(nèi)磁矩分量

圖4-8 GdFeCo薄膜疇壁處的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)演變[109] (a) 磁半子對(duì)示意圖以及通過(guò)強(qiáng)度傳輸方程解析得到的243 K疇壁處面內(nèi)磁矩分布圖；(b) 疇壁處磁疇結(jié)構(gòu)演變放大圖，由具有黑白襯度的磁半子對(duì)轉(zhuǎn)變到只有黑襯度的斯格明子；(c) 斯格明子示意圖以及通過(guò)強(qiáng)度傳輸方程解析得到的300 K疇壁處面內(nèi)磁矩分布圖；(d) 和(i) 分別對(duì)應(yīng)磁半子對(duì)和斯格明子的洛倫茲透射電鏡模擬圖； (e)～(h) 通過(guò)微磁學(xué)模擬得到磁半子對(duì)向斯格明子演變的過(guò)程及其對(duì)應(yīng)拓?fù)浜傻淖兓?/p>

目錄

前言

第1章 緒論

第2章 體拓?fù)浯判圆牧?/strong>

2.1 簡(jiǎn)介

2.2 斯格明子和相關(guān)的拓?fù)渥孕棙?gòu)

2.2.1 斯格明子、反斯格明子、磁半子和刺猬晶格的定義及其拓?fù)湫?/p>

2.2.2 晶格與粒子圖像

2.2.3 磁相互作用

2.3 手性磁體

2.3.1 MnSi和Fe1?xCoxSi

2.3.2 MnGe和MnSi1?xGex

2.3.3 β-Mn型的Co-Zn-Mn合金

2.3.4 Cu2OSeO3

2.3.5 D2d晶體：逆哈斯勒合金Mn-Pt-Sn

2.4 極性磁體

2.4.1 GaV4S8 和 GaV4Se8

2.4.2 VOSe2O5

2.4.3 異質(zhì)結(jié)界面：Co/Pt、SrRuO3/SrIrO3和磁性拓?fù)浣^緣體

2.5 阻挫磁體

2.5.1 釓化合物：Gd2PdSi3、Gd3Ru4Al12 和 GdRu2Si2

2.5.2 鈣鈦礦氧化物：SrFeO3

參考文獻(xiàn)

第3章 拓?fù)浯判员∧?/strong>

3.1 磁性薄膜中的磁疇壁

3.2 磁性薄膜中的界面DM相互作用

3.3 磁性薄膜中的手性疇壁結(jié)構(gòu)

3.4 界面DM相互作用相關(guān)的物理效應(yīng)及其測(cè)量

3.5 磁性薄膜中的拓?fù)涫中哉{(diào)控

3.6 本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章 二維拓?fù)浯判圆牧?/strong>

4.1 二維拓?fù)浯判圆牧虾?jiǎn)介

4.1.1 二維磁性材料

4.1.2 二維磁性材料中的DM相互作用與拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)

4.1.3 二維拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)調(diào)控及單賽道斯格明子基邏輯門

4.2 拓?fù)?反)磁半子

4.2.1 磁半子的自旋構(gòu)型和拓?fù)浜?/p>

4.2.2 磁半子的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)

參考文獻(xiàn)

第5章 非DM相互作用的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)

5.1 人工拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)

5.1.1 人工二維斯格明子晶體的理論構(gòu)建

5.1.2 人工二維斯格明子晶體的實(shí)驗(yàn)制備

5.1.3 人工斯格明子晶體激發(fā)模式的微磁學(xué)模擬研究

5.1.4 小結(jié)

5.2 阻挫

5.2.1 阻挫體系中的磁相互作用

5.2.2 典型阻挫體系的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)

5.3 LSMO類

5.3.1 磁泡的形成機(jī)制簡(jiǎn)介

5.3.2 LSMO類拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)觀察和爭(zhēng)議

參考文獻(xiàn)

第6章 拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征

6.1 洛倫茲透射電鏡

6.1.1 洛倫茲模式磁疇成像原理

6.1.2 洛倫茲菲涅耳模式磁疇結(jié)構(gòu)解析方法和舉例

6.1.3 離軸電子全息方法磁疇成像原理及應(yīng)用

6.1.4 微分相位襯度技術(shù)磁疇成像原理及應(yīng)用

6.1.5 四維掃描透射技術(shù)磁疇成像原理及應(yīng)用

6.2 光發(fā)射電子顯微鏡

6.2.1 光發(fā)射電子顯微鏡的工作原理及襯度機(jī)制

6.2.2 光發(fā)射電子顯微鏡在磁成像技術(shù)中的運(yùn)用

6.3 自旋極化低能電子顯微鏡

6.3.1 自旋極化低能電子顯微鏡的工作原理及儀器介紹

6.3.2 自旋極化低能電子顯微鏡在磁成像中的應(yīng)用

6.3.3 自旋極化低能電子顯微鏡表征拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的研究前景

6.4 掃描透射X射線顯微鏡

6.4.1 掃描透射X射線顯微鏡的工作原理

6.4.2 掃描透射X射線顯微鏡表征拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的實(shí)例

6.4.3 掃描透射X射線顯微鏡表征拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的研究前景

6.5 中子散射技術(shù)

6.5.1 引言

6.5.2 小角中子散射的基本原理

6.5.3 小角中子散射在拓?fù)浯判匝芯恐械膽?yīng)用

6.5.4 極化中子反射的基本原理

6.5.5 極化中子反射在拓?fù)浯判匝芯恐械膽?yīng)用

6.5.6 小結(jié)

6.6 磁力顯微鏡

6.6.1 磁力顯微鏡的工作原理

6.6.2 磁力顯微鏡在拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

6.6.3 磁力顯微鏡在拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用前景

6.7 磁光克爾顯微鏡

6.7.1 磁光克爾顯微鏡的工作原理

6.7.2 磁光克爾顯微鏡觀察拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)

6.7.3 磁光克爾顯微鏡在拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)表征中的應(yīng)用前景

6.8 自旋極化掃描隧道顯微鏡

6.8.1 自旋極化掃描隧道顯微鏡簡(jiǎn)介

6.8.2 采用自旋極化掃描隧道顯微鏡技術(shù)表征和操控斯格明子結(jié)構(gòu)

6.9 掃描金剛石氮–空位色心顯微鏡

6.9.1 掃描金剛石氮–空位色心顯微鏡的工作原理

6.9.2 掃描金剛石氮–空位色心顯微鏡在拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)研究中的應(yīng)用

參考文獻(xiàn)

第7章 拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的調(diào)控

7.1 拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)理論預(yù)測(cè)與分類

7.2 拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)、溫度調(diào)控

7.2.1 布洛赫型斯格明子的磁場(chǎng)、溫度調(diào)控

7.2.2 奈爾型斯格明子的磁場(chǎng)、溫度調(diào)控

7.2.3 反斯格明子的磁場(chǎng)、溫度調(diào)控

7.2.4 磁束子的產(chǎn)生

7.3 電流誘導(dǎo)的斯格明子產(chǎn)生、湮滅和運(yùn)動(dòng)

7.3.1 電流誘導(dǎo)的斯格明子產(chǎn)生及湮滅

7.3.2 電流驅(qū)動(dòng)斯格明子運(yùn)動(dòng)

7.4 磁浮子與磁束子的動(dòng)力學(xué)特性

7.4.1 磁浮子動(dòng)力學(xué)

7.4.2 磁束子動(dòng)力學(xué)

參考文獻(xiàn)

第8章 拓?fù)浯判圆牧现械妮斶\(yùn)性質(zhì)

8.1 磁性材料的基本輸運(yùn)性質(zhì)

8.2 演生電磁場(chǎng)與拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)

8.2.1 貝里相位與貝里曲率

8.2.2 演生電磁場(chǎng)與標(biāo)量自旋手性

8.3 拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)相關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象

8.3.1 拓?fù)浠魻栃?yīng)與拓?fù)渥孕魻栃?yīng)

8.3.2 非共線磁電阻、非共線霍爾效應(yīng)與手性霍爾效應(yīng)

8.3.3 磁結(jié)構(gòu)的高階輸運(yùn)響應(yīng)

8.4 本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第9章 拓?fù)浯艑W(xué)計(jì)算與模擬

9.1 二維拓?fù)浯判圆牧?/p>

9.1.1 微磁學(xué)基本理論

9.1.2 數(shù)值模擬方法和編程

9.1.3 模擬計(jì)算軟件

9.1.4 特殊材料處理

9.1.5 原子尺度模擬及有限溫度微磁學(xué)

9.2 第一性原理計(jì)算磁相互作用

9.2.1 引言

9.2.2 DM相互作用

9.2.3 磁各向異性能

9.2.4 交換相互作用能

9.2.5 小結(jié)與展望

參考文獻(xiàn)

第10章 器件設(shè)計(jì)與工作原理

10.1 疇壁賽道存儲(chǔ)器

10.1.1 疇壁賽道存儲(chǔ)器簡(jiǎn)介

10.1.2 疇壁賽道存儲(chǔ)器的主要體系

10.1.3 基于磁疇壁的各類器件

10.1.4 疇壁賽道存儲(chǔ)器的發(fā)展展望

10.2 斯格明子賽道存儲(chǔ)器

10.2.1 斯格明子賽道存儲(chǔ)器工作原理

10.2.2 合成反鐵磁、亞鐵磁和反鐵磁斯格明子賽道存儲(chǔ)器

10.2.3 其他類型斯格明子賽道存儲(chǔ)器

10.3 斯格明子邏輯器件

10.3.1 斯格明子晶體管

10.3.2 斯格明子二極管

10.3.3 斯格明子邏輯門

10.4 斯格明子微波器件

10.4.1 斯格明子振蕩器

10.4.2 斯格明子微波探測(cè)器

10.4.3 斯格明子混頻器

10.5 基于斯格明子的非傳統(tǒng)計(jì)算器件

10.5.1 斯格明子隨機(jī)數(shù)生成器

10.5.2 斯格明子重洗牌器

10.5.3 斯格明子神經(jīng)計(jì)算器件

參考文獻(xiàn)

第11章 磁性拓?fù)潴w系中的拓?fù)潆娮优c磁結(jié)構(gòu)

11.1 磁性拓?fù)潆娮优c物性

11.1.1 磁性外爾費(fèi)米子

11.1.2 磁性拓?fù)浒虢饘?/p>

11.1.3 磁性外爾半金屬的物性

11.1.4 非共線磁結(jié)構(gòu)相關(guān)的非傳統(tǒng)橫向輸運(yùn)

11.2 拓?fù)潆娮优c非共線磁的相互調(diào)制

11.2.1 外爾電子誘導(dǎo)的等效磁場(chǎng)與電導(dǎo)

11.2.2 磁性外爾體系中的高效磁疇翻轉(zhuǎn)

11.3 本章小結(jié)與展望

參考文獻(xiàn)

第12章總結(jié)與展望

《物理》50年精選文章