多重斯格明子的形成与磁化反转研究

Magnetic skyrmion is considered to be a promising candidate for the next generation of high-density, non-volatile storage media because of its nanoscale size, topological stability, and almost pinning-free motion with ultra-low current density. The magnetization reversal mechanism of magnetic skyrmion is of importance to the practical application. However, knowledge on how to manipulate magnetization reversal of skyrmions is lacking, especially for multiskyrmions. The present project focuses on predicting formation conditions of multiskyrmion in magnetic materials by micromagnetic simulation, and investigating the influence of the magnetocrystalline anisotropy, the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and the geometrical dimension of patterned devices on the formation of multiskyrmions. Then systematical investigation of the dynamics of multiskyrmions will be carried out. The dynamic behaviors and the reversal mechanism of multiskyrmions will be investigated by applying an external excitation, such as a pulsed magnetic field, a microwave field, a DC current or an AC current, and analyzed combining with the topology. This project will present the theoretical guide for obtaining multiskyrmions in experiments and manipulating magnetization reversal in practical applications.

斯格明子有望用作高密度、非易失的磁存储介质，其磁化反转机制对于它的实际应用很重要，然而这方面的研究工作却很少，特别是多重斯格明子的磁化反转尚未见报道。本项目通过微磁学模拟预测磁性材料中多重斯格明子形成的条件，获得多重斯格明子形成所需的磁晶各向异性大小、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用系数大小以及材料的最佳几何尺寸，深入分析磁性材料中产生多重斯格明子态的机理，并系统研究多重斯格明子的动力学性质。通过对多重斯格明子施加脉冲磁场、微波场、直流电流、交流电流等方式系统研究多重斯格明子在这些作用下的动力学行为，并结合拓扑学相关知识深入理解多重斯格明子的动力学本质，从而实现多重斯格明子的可控磁化反转，同时为实验上获得多重斯格明子以及斯格明子的实际应用提供理论指导和依据。

斯格明子由于具有小尺寸（<100nm）、低的驱动电流密度、受到拓扑保护而具有很好的稳定性，因此在未来的自旋电子学和高密度存储器件方面有很好的应用前景，受到科研人员广泛关注。对斯格明子和多重斯格明子(kπ-skyrmion)的动力学性质研究对于实现斯格明子的实际应用非常关键。本项目结合微磁学模拟与实验研究在常规磁体和有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的磁体中获得了不同形态斯格明子，如斯格明子晶格、多重斯格明子、双斯格明子晶格，自发斯格明子链、分形斯格明子等，并用微磁学模拟研究了多重斯格明子的磁化反转机制和拉长斯格明子在电流驱动下的动力学性质，并取得了如下研究成果。首先，发现无DMI的Co/Ru/Co纳米盘中多重斯格明子形成所需的最佳Co层厚度为20nm，最佳Ru层厚度为2nm, 改变圆盘直径获得不同的kπ-skyrmion，在无DMI的MnPdGa薄膜中能获得室温低场双斯格明子晶格；有体DMI的螺旋磁体FeGe中，获得斯格明子晶格出现所需的磁各向异性值和薄膜厚度存在最佳值，同时发现DMI系数越大，斯格明子密度越高；发现在多铁异质结中，利用界面DMI与层间磁耦合相互作用，可以将只出现在界面几个原子层厚度的斯格明子拓展到40个原子层厚度的薄膜中；发现在磁性多层膜中，通过调节磁性层间的RKKY相互作用大小，可以实现螺旋磁向斯格明子晶格或多重斯格明子的转变；在特殊结构的纳米条带中，发现通过DMI相互作用与交换作用的竞争能自发形成斯格明子链；发现将FeGe薄膜做成谢尔宾斯基（Sierpinski）分形结构后，能得到自相似性的分形结构斯格明子分布。其次，对多重斯格明子动力学研究发现，通过激发体系中强的呼吸模式，在斯格明子核的强烈收缩或扩张过程中会湮灭或产生新的核，实现多重斯格明子间的拓扑相变，即实现多重斯格明子的磁化反转；通过激发强的面内旋转模式，斯格明子核在运动过程中会产生涡旋-反涡旋对，这可以实现多重斯格明子的磁化反转。本研究为实验上获得多重斯格明子以及磁化反转多重斯格明子提供理论指导，为多重斯格明子在未来磁存储方面的实际应用奠定基础。