含斯格明子相的手征磁体及多重铁性材料中的力磁热电耦合机理研究

Last decade has witnessed a rapid growth of research interest in the skyrmion lattice discovered in chiral magnets and multiferroics. The skyrmion lattice refers to a topologically nontrivial, particle-like and localized spin texture. This phenomenon has broaden our outlook in the possible structures which can be found in condensed matters, and also provides an opportunity for a new round of development for spin-electronic devices. This project focuses on understanding of the coupling mechanism between the elastic, magnetic, thermal, and electric fields inside this sort of materials, and seeks the possibility of adjusting the skyrmion lattice and relating electromagnetic properties by changing the mechanical forces or deformation of the materials. To be more specific, we would like to discuss the effect of tension, compression, bending and tortion on the stability of the skyrmion lattice, as well as the interaction between the skyrmion phase and the manufacture conditions, size effects and surface effects in micro-nano sized samples. This project is a typical extension of the traditional strain engineering of advanced functional materials such as ferroelectric and ferromagnetic materials to control their electronic or magnetic properties. The multi-physics essence of the object for this project is the trend for modern science and technology. This project should be a benefit for development of mechanics as well as condensed matter physics.

近年来在手征磁体及多重铁性材料中发现的斯格明子相引起研究人员的广泛兴趣。它指的是一种拓扑非平凡的类粒子的自旋场的局域构型。这一新物理现象拓宽了人们对凝聚态中物质结构的认识，并有望引发自旋电子学器件的新一轮发展。本项目拟研究此类材料内部力磁热电场之间的相互耦合机理，并探索通过改变材料受力与变形的力学手段调控其中斯格明子相的相图以及物理性能的可能性。其中包括分析拉压弯扭等力学荷载对斯格明子相的影响，以及材料制备条件、尺寸效应、表面效应等在微纳尺度材料中与斯格明子相相互作用的物理机理。这一课题是对于铁电铁磁功能材料电磁学性能的应变工程研究的一种延伸，其多物理本质更是现代科学发展的趋势。对此进行深入的探索势必推动传统的力学学科以及凝聚态物理的交叉与发展。

由于手征磁体固有的磁弹耦合效应，人们在实验上发现外力场与磁性斯格明子之间存在丰富而深刻的相互影响：斯格明子的温度-磁场相图受到外力场的调控作用；在转变为磁性斯格明子相的过程中，材料的弹性常数会发生跳变；外力作用下斯格明子晶格会发生显著的层展变形。这些实验显示力学荷载是调整斯格明子的一种有效手段，但是其背后的物理机理尚不明晰。本项目首先针对B20族手征磁体，基于群论推导了描述磁弹耦合作用的一般性泛函解析式。基于此磁弹耦合泛函与Landau-Ginzburg理论，能够在统一的理论框架下解释以下三方面的实验结果：1、MnSi的温度-磁场相图，2、MnSi的静磁场磁致伸缩曲线，3、MnSi从圆锥相到斯格明子相相变过程中发生的弹性常数跳变。其次，作为此理论的一个基本应用，我们计算了MnSi低温下磁致伸缩曲线在斯格明子相中的跳变，结果与实验高度吻合。第三，我们基于磁弹泛函，推导了定量分析外力与斯格明子晶格应变之间相互作用的线性物理方程。为“层展弹性力学”的理论体系的建立迈出了一步。第四，我们求解了斯格明子相对应的内禀弹性场的解析解，并发现在外磁场作用下，弹性位移场与应力场会发生“构形翻转”的现象。最后，我们求解了手征磁体中斯格明子在表面处引起的弹性位移场解析解，此位移场表征了斯格明子的表面构形，并在外磁场作用下会发生“构形翻转”。.我们的工作为斯格明子磁弹耦合相关领域的进一步探索打下了一个坚实的理论基础。