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宽温域室温磁性斯格明子(Skyrmion)研究取得重要进展

日期 2016-06-16   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军  【 】   【打印】   【关闭

  在国家自然科学基金(项目批准号11474343,51431009,51590880,51471183)等的资助下,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)M05研究组在宽温域室温磁性斯格明子(Skyrmion)研究领域取得重要进展。有关研究成果以“A Centrosymmetric Hexagonal Magnet with Superstable Biskyrmion Magnetic Nanodomains in a Wide Temperature Range of 100–340 K(具有100-340K宽温域超稳定双斯格明子纳米磁畴结构的中心对称六角磁体)”为题于2016年5月19日在Advanced Materials杂志上发表。论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201600889/full。

  信息技术的快速发展深刻改变了人类的生活方式。信息的存储有三种重要的方式,分别是半导体存储、光存储和磁存储。其中,磁信息存储技术发展最早,具有难以替代的优点。然而,随着器件的小型化以及存储密度的不断提高,磁性材料的顺磁物理极限和焦耳热等问题逐渐凸显,磁信息存储技术的发展遭遇到关键瓶颈。

  在磁性材料的研究中,将材料学和拓扑学相结合逐渐引起学术界的广泛关注。其中,磁性斯格明子(Skyrmion)就是一种新颖的具有拓扑行为的磁结构,具有粒子特性,尺寸为纳米量级。由于驱动斯格明子状态改变比驱动传统磁畴所需的电流密度低5-6个量级,因此成为未来高密度、高速度、低能耗磁信息存储器件的理想候选材料之一。然而,目前磁性斯格明子材料成相温度多低于室温,且磁斯格明子成相温区一般只在居里温度附近的几K范围,严重制约了其实际应用。

  中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)磁学国家重点实验室M05研究组长期致力于金属间化合物磁-结构相变及新型磁性功能材料的开发和物性研究。他们提出了磁性-共价作用竞争影响物质结构的想法,通过同时调控磁性和结构相变,获得了跨室温宽温域连续可调的磁-结构相变材料。最近,该课题组王文洪副研究员和物理所张颖副研究员等人在六角结构Mn1-xFexNiGe合金的研究中发现,用Ga替代Ge,可以调控合金的结构相变,将结构失稳引导为磁结构转变。通过洛仑兹电镜观察证实,随着外加磁场的增加,合金逐渐由螺旋磁结构向斯格明子拓扑磁畴结构转变,而且斯格明子拓扑磁结构可以在100K—340K的超宽温度区间稳定存在,如图所示。

  该研究首次在具有中心对称结构金属间化合物中开发出具有宽温域室温磁斯格明子拓扑磁畴结构的材料体系,不仅有利于磁性斯格明子的实际应用,而且对新型磁性斯格明子材料的探索具有很大的启发。

图. MnNiGa体系磁性斯格明子存在温区和其它材料体系的对比。

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