网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

《Nature Physics》重磅:告别“偏航”!反铁磁斯格明子超快相互作用首次被直接拍下

0
分享至

发表于《Nature Physics》的突破性研究论文《Time-resolved imaging of antiferromagnetic skyrmion interactions》,由德国美因茨约翰内斯·古腾堡大学(JGU)Mathias Kläui 教授课题组领衔(第一作者为 Mona Bhukta),联合赫姆霍兹柏林中心(HZB)以及保罗谢尔研究所(PSI)等多家顶尖机构共同完成。

作为拓扑自旋电子学领域的重大进展,该工作成功攻克了反铁磁体系中拓扑磁结构“难观测、难追踪”的长期瓶颈。研究团队利用高精度的 X 射线显微成像技术,在纳米空间尺度与纳秒时间尺度上,首次直接捕捉到了电流驱动下反铁磁斯格明子的动态演化过程,并定量揭示了斯格明子与斯格明子之间、以及斯格明子与材料缺陷之间的超快相互作用机制。



一、 研究背景与核心科学问题

磁斯格明子是一种具有非零拓扑荷的局域化自旋漩涡结构。由于其尺寸小、拓扑稳定性高且驱动电流密度极低,一直被视为下一代超高密度赛道存储器和神经形态计算器件的核心信息载体。

然而,传统的铁磁斯格明子在实际器件化应用中面临致命短板:在电流驱动下,由于马格努斯力的作用,铁磁斯格明子会产生显著的斯格明子霍尔效应,导致其偏离电流方向横向漂移,极易撞向器件边缘并湮灭。此外,铁磁材料内部较强的杂散场也限制了器件的集成密度。

理论上,反铁磁斯格明子由两个磁化强度相反的子格子磁矩耦合而成,净磁化强度几乎为零。由于两个子格子受到的马格努斯力方向完全相反并相互抵消,反铁磁斯格明子不仅能实现绝对的直线运动,免除斯格明子霍尔效应,还具备高达 THz 级别的超快动力学响应潜力。

但正是因为其净磁化强度为零,在实验上极难对反铁磁斯格明子进行光学与磁学成像。更重要的是,在密集芯片器件中,当大量斯格明子集群运动时,斯格明子彼此之间以及斯格明子与材料局部钉扎缺陷之间的动态相互作用强度,一直缺乏直接的实空间超快实验观测证据。

二、 实验方案与技术突破

为了解决这一难题,研究团队精心设计了基于 Pt/Ir 强界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用(DMI)的合成反铁磁(Synthetic Antiferromagnet, SyAFM)多层膜体系。该体系包含富铁(Fe-rich)与富钴(Co-rich)两个铁磁子格子,通过精确控制膜厚实现了完全的磁化强度补偿。

研究团队利用 BESSY II 同步辐射光源上的元素选择性泵浦-探测时间分辨 X 射线透射显微技术(STXM),向器件施加百皮秒/纳秒级的高频超短电流脉冲作为泵浦源,并同步触发单色软 X 射线脉冲作为探测源。通过对 Fe 和 Co 的 X 射线吸收边(L₃ 边)进行“分色”磁对比度成像,研究人员成功合成了分辨率高达纳米级与纳秒级的反铁磁斯格明子动态运动“电影”。

三、 关键科学发现

通过对超快成像数据集的定量分析,研究团队揭示了反铁磁斯格明子在电流驱动下的两大运动体制与关键相互作用定律:

1. 两类动态运动体制

通过调节驱动电流密度(自旋轨道矩)与材料局部缺陷钉扎势的相对比值,研究团队首次鉴别出反铁磁斯格明子晶格的两种基本运动相:

  • 非相干流体制:在中低电流密度下,部分斯格明子被材料缺陷强烈钉扎,而移动的斯格明子撞向被钉扎的斯格明子时会发生挤压变形。当电流脉冲停止后,受挤压的斯格明子会由于排斥力产生明显的反弹回缩,弛豫时间约为 3 至 20 纳秒。
  • 相干流体制:当驱动电流超过临界脱钉阈值时,所有斯格明子均克服了局部钉扎势,整个斯格明子晶格以高度同步的速度沿直线滑行,展现出极高的空间相干性。

2. 零斯格明子霍尔效应的直接证实

在相干流体制下,研究团队对大量斯格明子的运动轨迹进行了精密统计,在实验误差范围内彻底证实了反铁磁斯格明子的运动轨迹严格与驱动电流平行,横向偏移角完全为零。

3. 定量反演斯格明子间的排斥相互作用势

论文最具物理深度的贡献之一,是结合自旋动力学 Thiele 方程,通过分析斯格明子被挤压后的反弹回缩轨迹,首次成功反演出反铁磁斯格明子之间随距离指数衰减的排斥相互作用势。这种弹性“软碰撞”行为与微磁学模拟结果高度吻合。

四、 应用价值与展望

相比于传统铁磁斯格明子因杂散场大、易偏航、速度受限(约 100 m/s)等缺点,反铁磁斯格明子展现出了零杂散场、零霍尔漂移以及潜在千米每秒级(THz)超快运行速度的巨大优势。

这项研究通过实空间成像直接证实了反铁磁斯格明子高拓扑稳定性与可预测的排斥作用力。在未来的超高密度赛道存储器中,这种排斥力能够确保数据位(有/无斯格明子)在超快传输过程中不会发生拥挤重叠或乱序。此外,斯格明子受挤压后产生的弹性弛豫特性,也为设计仿生神经形态计算中的脉冲神经元与突触器件提供了理想的物理载体。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
中央批准,五人职务调整

中央批准,五人职务调整

南安融媒
2026-11-13 01:53:50
76人大胜!恩比德20+4+3,赛后老詹先一步退场,马克西抱着女儿接受采访

76人大胜!恩比德20+4+3,赛后老詹先一步退场,马克西抱着女儿接受采访

担酒
2026-11-13 10:33:25
没带课本就往死里打?8岁留守女童被班主任关办公室暴打20分钟,打到骨折抽搐,右手骨折浑身淤青,官方介入

没带课本就往死里打?8岁留守女童被班主任关办公室暴打20分钟,打到骨折抽搐,右手骨折浑身淤青,官方介入

秋风妃
2026-11-12 21:44:50
今日重要赛事!11月13日,央视CCTV5、CCTV5+节目表

今日重要赛事!11月13日,央视CCTV5、CCTV5+节目表

薇说体育
2026-11-13 10:41:47
再不跑全无了:俄罗斯轰炸机集体东迁,还是接壤中国的远东最安全

再不跑全无了:俄罗斯轰炸机集体东迁,还是接壤中国的远东最安全

影孖看世界
2026-11-10 20:55:13
内娱终于出了一个可怕的演员,兰西雅, 不是说她的长相,而是她一个人居然可以把一部戏从唱歌到演戏全包了,还做得很好

内娱终于出了一个可怕的演员,兰西雅, 不是说她的长相,而是她一个人居然可以把一部戏从唱歌到演戏全包了,还做得很好

一盅情怀
2026-11-11 15:44:49
不出意外,2027年1月起,中国或将迎来4大涨价潮,提前了解不吃亏

不出意外,2027年1月起,中国或将迎来4大涨价潮,提前了解不吃亏

专业聊房君
2026-11-10 17:19:38
金价银价,大跌!

金价银价,大跌!

环球网资讯
2026-11-13 09:22:23
中国经济样本观察·“镇”了不起|从戏服到汉服,5万人小镇“绣”出百亿元“华裳产业”

中国经济样本观察·“镇”了不起|从戏服到汉服,5万人小镇“绣”出百亿元“华裳产业”

新华社
2026-11-11 08:50:07
13岁熊孩子故意锁死"旋转秋千"游乐设施!致高速运转失控!有人被甩飞重伤…

13岁熊孩子故意锁死"旋转秋千"游乐设施!致高速运转失控!有人被甩飞重伤…

特种设备安全科普
2026-11-12 05:20:10
我是副高五级,工龄38年9个月,25年5月份退休,养老金预发15600,年终发6500过节费

我是副高五级,工龄38年9个月,25年5月份退休,养老金预发15600,年终发6500过节费

伦纳德之家
2026-11-12 22:47:24
台专家曾警告:如果大陆武统台湾,将毁灭500个城市,1.4亿人死亡

台专家曾警告:如果大陆武统台湾,将毁灭500个城市,1.4亿人死亡

只能离开
2026-11-11 22:13:42
北京八宝山,数万坟位期满却无人再缴,并非儿孙不孝,实在是家里兜不住了

北京八宝山,数万坟位期满却无人再缴,并非儿孙不孝,实在是家里兜不住了

扶苏聊历史
2026-11-04 18:20:53
一则国企校招上岸截图走红!岗位为成都总部生产技术岗,家庭晒喜讯,三方协议争议刷屏评论区

一则国企校招上岸截图走红!岗位为成都总部生产技术岗,家庭晒喜讯,三方协议争议刷屏评论区

火山詩话
2026-11-13 09:56:20
姑娘深夜在小区遭陌生男子猥亵,还盯着她笑……3个外卖小哥发现后冲了上去!“遇到这种事要勇敢喊出来”

姑娘深夜在小区遭陌生男子猥亵,还盯着她笑……3个外卖小哥发现后冲了上去!“遇到这种事要勇敢喊出来”

都市快报橙柿互动
2026-11-13 03:30:10
想钱想疯了!记者把燃气灶里的电池换成没电的,然后通过啄木鸟平台下单报修,结果5个师傅只有2个说了实话

想钱想疯了!记者把燃气灶里的电池换成没电的,然后通过啄木鸟平台下单报修,结果5个师傅只有2个说了实话

扶苏聊历史
2026-11-12 16:31:35
他们“死的”,一点不冤

他们“死的”,一点不冤

美第奇效应
2026-11-11 23:17:21
网传物业费会成为压死失业人群的最后一根稻草…

网传物业费会成为压死失业人群的最后一根稻草…

慧翔百科
2026-11-12 11:33:59
1927年,毛泽东被捕后,在被押解去执行死刑的途中,他突然对一名团丁说:“老哥,我腿疼,可能伤筋了!”

1927年,毛泽东被捕后,在被押解去执行死刑的途中,他突然对一名团丁说:“老哥,我腿疼,可能伤筋了!”

扶苏聊历史
2026-11-06 18:18:35
厦金大桥厦门段顺利合龙,大陆表态:不管台方态度,工程持续推进

厦金大桥厦门段顺利合龙,大陆表态:不管台方态度,工程持续推进

辉哥说动漫
2026-11-13 07:13:10
2026-11-13 15:20:49
万象经验 incentive-icons
万象经验
专注科普
1557文章数 808关注度
往期回顾 全部

科技要闻

黄仁勋辞职,马斯克们抱不平!

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

头条要闻

牛弹琴:黄仁勋黯然辞职 至少释放三重信号

体育要闻

28年前的“点球罪人”,把冠军带回大连

娱乐要闻

黄仁勋与黄乐合照曝光,吃饭氛围暧昧

财经要闻

72岁王健林重回“一号位”

汽车要闻

限时权益价8.88万 吉利星愿STAR限定系列发布

态度原创

游戏
家居
教育
房产
旅游

《光环:战役进化》移植Dreamcast !双模式可运行

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

教育要闻

中俄教育年独家专访|远东联邦大学副校长详解赴俄留学新趋势

房产要闻

十年长草!三亚这个豪宅盘,爆出新消息!

旅游要闻

直播间低价旅游卡兑现难 文旅消费陷阱如何破?

无障碍浏览 进入关怀版