三维弯曲手性磁体中的拓朴态及其动力学行为研究

Given the huge impact of shape and size of magnetic materials on the topological states, we introduce geometry curvature and torsion into chiral magnet to study the formation, stability and dynamics of skyrmions in three-dimensionally curved chiral magnet, including nanotubes, rolled-up nanomembranes, helix coils, and nanospheres, by using theoretical calculation, micromagnetic simulation, and Monte Carlo simulation. First, we theoretically analyze the influence of the geometry curvature and torsion on the magnetic configuration in the chiral magnet, and obtain the generation mechanism and stability for skyrmions in different structures by simulations. Then, we study the dynamics of an individual skyrmion driven by currents, and explain the influence of the curvature and torsion on the trajectory and velocity of the skyrmions in nanotubes and helix coils. Finally, we calculate the topological states which can exist in nanoshperes, and explain their formation and stability mechanism. Also we study the transformation mechanism between different topological states. Therefore, the purposes of the research are show the formation and manipulation of skyrmions in three-dimensionally curved chiral magnet. And we hope our study can expand the applications of skyrmions.

考虑到磁性材料的形状和尺寸对拓扑磁结构的巨大影响，本项目将几何弯曲和扭转效应引入手性磁体，采用理论计算、微磁学模拟及蒙特卡罗模拟等方法研究三维弯曲的手性磁体包括纳米管、螺旋纳米线、卷曲的手性薄膜以及纳米球等纳米结构中斯格明子的形成、稳定机制及其在电流驱动下的动力学行为。首先从理论上阐明弯曲和扭转效应对手性磁体中磁结构的影响机制，进一步通过模拟得出不同纳米结构中斯格明子生成和稳定的条件。其次研究纳米管和螺旋纳米线中单个斯格明子的电流驱动，分析磁体弯曲曲率和扭转度对斯格明子移动轨迹及速度的影响。最后计算出纳米球中可能存在的拓扑态，得出不同拓扑态产生和维持的条件，并分析各种拓扑态之间、拓扑态与非拓扑态之间相互转换的条件和微观机制。期望通过本项目的研究能揭开三维几何弯曲的手性磁体中斯格明子的生成和调控机制，同时也希望拓宽斯格明子的应用领域。

在弯曲几何中，由于曲率诱导的有效各向异性和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用，发现了许多新颖的曲率驱动效应。曲率效应也提供了改变传统结果的手段，并在磁斯格明子的研究中推出了新的功能。磁性斯格明子是具有拓扑保护的粒子状自旋结构。它存在于多种磁性材料中，作为信息的载体，已成为磁学和自旋电子学的研究热点之一。Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和各向异性对磁斯格明子的形成和稳定性都有重要影响。弯曲几何中的磁斯格明子显示出一些新的特性，该领域的研究可能促进磁斯格明子的发展。本项目将几何弯曲和扭转效应引入手性磁体，采用理论计算、微磁学模拟及蒙特卡罗模拟等方法研究了三维弯曲的手性磁体包括纳米管、螺旋纳米线、卷曲的手性薄膜以及纳米球等纳米结构中斯格明子的形成、稳定机制及其在电流驱动下的动力学行为。对纳米管的计算表明纳米管的基态构型为螺旋的条纹畴，通过施加沿纳米管径向方向的磁场螺旋条纹畴在外场与纳米管相切的地方断开，然后在纳米管的上下表面产生斯格明子，该过程并不伴随拓扑数的改变。纳米管中斯格明子的构型与纳米薄膜中不同，弯曲效应使得纳米管内壁处的斯格明子尺寸更大，因而其构型呈现圆锥状。弯曲曲面的研究表明曲率对斯格明子的形成机制有决定性影响。当曲率半径较大时斯格明子的形成机制与薄膜中是一致的，当曲率半径较小时斯格明子形成则与纳米管中的机制相同，但当曲率半径处于中间范围时，在磁滞过程中并不能够产生斯格明子。斯格明子在弯曲纳米条带中的移动速度则受到弯曲效应的影响，其切向速度和纵向速度都受到弯曲效应的影响，且其改变值受到电流驱动方向、纳米条带的宽度以及曲率半径的影响。纳米球和其他各种不同形状的三维立体结构中斯格明子的形成及动力学行为也开展了详细的计算，计算表明不同的形状效应对斯格明子的形成和移动速度有明显影响，可以通过设计材料的形状以获得更好的斯格明子动力学行为。