张石磊团队在新奇三维拓扑磁结构表征研究中取得重要进展

近日，上海科技大学拓扑物理实验室张石磊团队在新奇三维拓扑磁结构表征研究中取得重要进展，在基于螺旋磁体/铁磁多层膜异质结中直接观测并证实了三维手性磁浮子的存在。这归功于X射线共振弹性散射(REXS)的新的方法学的开发：磁性截断杆分析技术（Magnetic truncation rod，MTR）。该研究成果以“Creation of a Chiral Bobber Lattice in Helimagnet-Multilayer Heterostructures”为题发表于知名学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被选为该期的编辑推荐文章。

磁性斯格明子是一种定义在二维实空间，自旋呈涡旋状排列的磁畴壁单元。其结构被拓扑性质保护，可被当作一种准粒子，能被电流、磁场、电场和温度所调控，是一种理想的信息载体，对未来磁存储技术的研究与发展具有重要意义。然而，当前对这种新奇拓扑磁结构的研究还主要集中在二维结构上，对其三维特性的研究仅处于起步阶段。

手性磁浮子(Chiral bobbers)是一种新奇的三维拓扑磁构型。它类似于鱼漂一样漂浮于材料的表层，由直径不断缩小的二维斯格明子连续堆叠而成，从表层开始逐渐收敛到一个奇点（Bloch点），如图1(a) 所示。手性磁浮子中的奇点类似于磁单极子，在拓扑物理学基础研究方面具有重要研究价值。更特别的是，它与斯格明子态之间的能量势垒非常低，使得可以用它和斯格明子两种不同磁构型对数据进行编码。然而，由于手性磁浮子态是一种亚稳态，如何稳定产生这样一种新奇三维拓扑磁构型是一项具有挑战性的课题。另一方面，拓扑磁学目前面临的主要瓶颈在于如何从实验上对埋藏在材料表层以下几纳米至几十纳米的三维磁结构进行直接观测，这阻碍了人们对三维拓扑磁构型的直接认知和深层理解。

图1.（a）Cu2OSeO3衬底中产生的手性磁浮子结构；（b）两种具有相似横向尺寸的斯格明子材料形成的异质结结构示意图；（c）REXS实验得到的倒空间中被拉长的六重衍射斑。

为了解决上述关键科学问题，上海科技大学物质学院张石磊团队将Cu2OSeO3单晶作为衬底，在其表面生长[Ta/CoFeB/MgO]n多层膜。如图1.(b)所示，利用这样两套具有相似横向尺寸的斯格明子材料的界面耦合作用产生了稳定的手性磁浮子态。有趣的是，利用该方法产生出来的手性磁浮子晶格可以通过调节异质结结构组成进行可控调制。工作的下一步是如何对其复杂的三维磁结构进行直接表征。

图2. 路灯在水面上被拉长的倒影类似于倒空间中被拉长的衍射斑

在衍射理论中，有一种方法可以通过略入射光的衍射信号得到晶体近表面结构的信息，被称为晶体截断杆(Crystal truncation rod, CTR)分析法。在一些基于X射线或电子衍射的表面衍射过程中，由于入射角小，入射光穿透深度浅，导致倒空间中本该类似于狄拉克函数状的衍射峰沿着表面法向方向展宽，形成截断杆。通过对这些倒易空间中的截断杆进行分析，即可以得到晶体近表面的结构信息。打个比方，就如同路灯在水面上被拉长的倒影（图2所示）。得益于这些启发，张石磊团队将晶体截断杆理论推衍并应用到磁性散射过程中，开发出了基于REXS的磁性截断杆理论。利用REXS分别对斯格明子管与磁浮子的衍射斑进行分析对比，发现相比于管状斯格明子晶格，手性磁浮子晶格的六重衍射斑在L方向上有着非常明显的展宽，如图1.(c)所示。根据REXS观测出的六角衍射斑点形貌及其在L方向上的展宽信息，利用新开发的磁截断杆理论，能很好的重构出三维手性磁浮子的大小、周期及深度等信息。该手段的开发对未来三维复杂磁结构的探索研究意义重大。

上海科技大学是该项研究的第一完成单位，物质学院拓扑物理实验室助理研究员冉柯静为文章共同第一作者，张石磊为文章的主要通讯作者。中科院物理所、英国钻石光源、牛津大学和中国科学院合肥强磁场中心为该工作的共同合作单位。该工作得到了上海科技大学物质学院光子科学与凝聚态研究部、拓扑物理实验室和分析测试平台的鼎力帮助。该成果得益于上海科技大学启动基金、国家自然科学基金、北京市自然科学基金以及上海市扬帆计划的大力支持。（文/上海科技大学）