信息技术的发展很大程度上代表着一个国家的技术水准。磁信息存储技术至今已有100多年的历史，深刻地改变着人类的生活。但是，随着现代信息技术的高速发展，对磁信息存储器件的存储密度和能耗提出了越来越高的要求，而器件的持续小型化也带来了磁性材料出现顺磁物理极限和焦耳热等问题，基于磁性材料的信息存储技术遭遇到容量瓶颈，亟待开发可用于磁信息存储的新型磁性材料。
磁性斯格明子（Skyrmion）是一种新颖的具有拓扑行为的磁结构。它具有粒子特性，在实验上发现其尺寸为纳米量级。这种特殊的自旋排列导致驱动斯格明子状态改变的电流密度要比驱动传统磁畴低5-6个量级，从而成为构建未来高密度、高速度、低能耗磁信息存储器件的理想候选材料。与磁性斯格明子相关的研究已经引起了国内外科技界和工业界的广泛关注。
目前磁性斯格明子材料的研究主要集中在非中心对称结构具有Dzyaloshinskii-moriya相互作用的手性晶体（如MnSi、FeCoSi、FeGe、MnGe等），以及多铁材料Cu2OSeO3和MnZn铁氧体材料。但是，这些材料体系都表现出共同的缺点：居里温度多低于室温（磁性斯格明子出现在居里温度以下的磁有序状态），且磁斯格明子成相温区较窄（目前块体材料中的磁性斯格明子一般只存在居里温度附近的几K范围）。因此，开发具有宽温域室温磁性斯格明子新材料，是推进磁性斯格明子材料实用化的关键。
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）磁学国家重点实验室M05研究组长期致力于金属间化合物磁-结构相变及新型磁性功能材料的开发和物性研究，先后获得了多种磁相变材料体系，并提出了磁性-共价作用竞争影响物质结构的想法。在这些前期工作的基础上，该课题组王文洪副研究员和刘恩克副研究员等人对六角结构MM’X金属间化合物进行了深入的研究，采用“等结构合金化”技术，同步调控Mn1-xFexNiGe合金的磁性和相变的特性，发现这类材料的“居里温度窗口”物理效应，提出以“居里温度窗口”为途径获得强磁转变，获得了新型磁驱相变材料及大磁热效应等多方面的研究成果[Nature Communications 3, 873 (2012)]，为设计和开发新型磁相变材料提供了新的思路（中国发明专利，申请号2013102511613）。随后，他们又提出了“二次等结构合金化”技术，在Mn1-yFeyNiGe1-xSix合金中将居里温度窗口拓宽到400K，获得了跨室温宽温域连续可调的磁-结构相变材料 [Advanced Electronic Materials 1, 1500076 (2015)；（中国发明专利，申请号2015102098865）]。
最近，他们在前期工作基础上，利用Ga替代Ge进行共价键调控，逐渐抑制了六角合金MnNiGe的结构相变，将结构失稳引导为磁结构转变方式，实现了磁相变的连续调控（图1）。随后，通过磁输运测量，发现在跨室温的宽阔温区里（340K-50K），六角合金MnNiGa具有明显的拓扑霍尔效应和反常磁电阻平台等拓扑输运特征（图2），预示了体系会出现磁性斯格明子拓扑磁畴结构。通过与M07组张颖副研究员等人合作，利用洛仑兹电镜观察证实了他们的这一预测：随着外加磁场的增加，MnNiGa薄带逐渐由螺旋磁结构向斯格明子拓扑磁畴结构转变（图3）。更为重要的是，和目前的磁性斯格明材料对比，新型六角MnNiGa材料体系的斯格明子拓扑磁畴结构可以在340K-100K的超宽温度区间稳定存在（图4）。由于MnNiGa是中心对称结构材料，产生斯格明子磁畴的物理机制有可能是磁晶各向异性能、交换作用能和静磁能（磁偶极相互作用）竞争的结果，相关机理研究正在进行中。这个体系能克服目前磁性斯格明子材料工作温度偏低和形成温区较窄的不足，且表现出双磁性斯格明子相变和大的拓扑霍尔效应等拓扑输运性能，具有更加广泛的应用范围（中国发明专利，申请号201610308496.8）。
该研究从化学键调控和电子结构层面进行材料设计，首次在具有中心对称结构金属间化合物中开发出具有宽温域室温磁斯格明子拓扑磁畴结构的材料体系，不仅有利于磁性斯格明子的实际应用，而且对新型磁性斯格明子材料的探索具有重要指导意义。相关研究结果发表在2016年5月19日出版的Advanced Materials（DOI:10.1002/adma.201600889）上。
该研究工作得到了国家基金委重点项目（项目批准号11474343，51431009，51590880，51471183）、中国科学院先导项目和科技部973项目的支持。
相关工作链接：
[1]Stable magnetostructural coupling with tunable magnetoresponsive effects in hexagonal ferromagnets.
[2]Unprecedentedly Wide Curie-Temperature Windows as Phase-Transition Design Platform for Tunable Magneto-Multifunctional Materials.
[3]A Centrosymmetric Hexagonal Magnet with Superstable Biskyrmion Magnetic Nanodomains in a Wide Temperature Range of 100-340K.
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| 图1. (a) MnNiGa合金晶体结构；(b) XRD及其精修结果；(c) ZFC-FC磁化曲线；(d) 洛仑兹电镜基态磁畴结构。 |
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| 图2. (a) MnNiGa薄带霍尔效应，插图为拓扑霍尔效应提取方法：黑线为原始数据，红线为利用反常霍尔效应拟合曲线，蓝线为两者差值；(b)拓扑霍尔效应随温度的变化；(c) 不同温度的磁电阻曲线；(d) 磁场-温度-拓扑霍尔效应相图。 |
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| 图3. MnNiGa薄带室温下的洛伦兹电镜照片：（a, b）零磁场下为条状磁畴，说明磁基态为螺旋磁性；（c-f）随着垂直磁场的增加斯格明子磁畴的逐渐产生，对应彩图显示为斯格明子的自旋构型；（g, h）进一步增大磁场，斯格明子磁畴的尺寸开始减小。 |
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| 图4. 本工作所获MnNiGa体系磁性斯格明子存在温区和其它材料体系的对比。 |
文章来源于中科院物理所
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