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港中大(深圳)研究人员首次观测到磁斯格明子霍尔效应

日期:2016-09-23

       磁性斯格明子(magnetic skyrmions)是一种具有准粒子特性的拓扑自旋构形,可存在于具有螺旋交换作用的磁体中。由于其纳米尺度及驱动能耗低等特性,磁斯格明子极可能成为未来自旋电子器件的重要组成部分。理论预言电流驱动的磁性斯格明子会表现出霍尔效应(Hall effect)的动力学行为,但实验上还未能观察到该现象。

       近期,由来自香港中文大学(深圳),清华大学,阿贡国家实验室,加州大学洛杉矶分校,奥克兰大学和布林莫尔学院的众多物理研究人员组成的国际团队从实验上首次直接观测到了磁性薄膜中的斯格明子霍尔效应,并揭示了其与传统电荷霍尔效应的相似性。斯格明子霍尔效应的实验观察将有可能为其学科领域创造新的契机,例如拓扑选择等。相应的实验结果于在9月19日在线发表在《自然·物理学》(Nature Physics)上(doi:10.1038/nphys3883)。清华大学国家青年千人计划入选者江万军博士与香港中文大学(深圳)理工学院周艳教授团队研究助理张溪超为该论文的并列第一作者。周艳教授团队的贡献主要是从理论和数值模拟角度阐释实验结果。

       周艳教授在采访中提到这项研究成果的重要性。“在传统霍尔效应中,电流驱动带电粒子将受到洛伦兹力而产生横向漂移。假如有这样一个准粒子,不带电荷但具有拓扑数,其在被电流驱动时会不会具有类似的横向漂移呢?基态磁性斯格明子的拓扑数为1,是检测这个假设的理想研究对象。在本项研究中,我们利用自旋霍尔效应产生的自选转矩驱动斯格明子在磁性薄膜中运动,让其运动从蠕动状态逐渐转变到稳直状态。在此过程中,斯格明子表现出了霍尔效应。传统霍尔效应产生的起源是电荷在外磁场中受洛伦兹力的作用,而斯格明子霍尔效应的产生原于其拓扑结构在电流驱动下受Magnus力的作用。我们发现,在室温下,电流密度小于107A/cm2的驱动电流引起的斯格明子霍尔角可达到15度。斯格明子霍尔效应的成功观察将会为这个新兴领域创造新的契机。”

       团队成员张溪超也对本项研究成果作出评论。“实验观察到的斯格明子霍尔效应与理论预言的理想材料中的斯格明子霍尔效应未完全吻合,这表明斯格明子的动力学行为可能受到了真实材料中缺陷的影响。这项研究成果加深了我们对斯格明子动力学行为的理解,对今后基于斯格明子的设备的研发将起到指导作用。”

      该论文是周艳教授团队在斯格明子物理及应用方面的代表性研究成果之一,周艳教授团队及合作者还取得其他一些具有里程碑意义的成果。

     《物理学评论B》(Physical Review B)在9月19日也在线发表了周艳教授团队与日本东京大学,日本信州大学,北京航空航天大学,以及中南大学的合作研究成果(doi: 10.1103/PhysRevB.94.094420),该论文的第一作者为周艳教授团对成员张溪超,周艳教授与东京大学江澤雅彦博士为共同通讯作者。这篇文章报道了在纳米结构中如何操控磁性skyrmionium。

       此外,《电气与电子工程师协会会报》(Proceedings of the IEEE)将于今年10月10日发表了周艳教授与北京航空航天大学合作并以共同通讯作者身份撰写的一篇邀请综述(doi:10.1109/JPROC.2016.2591578)。该篇综述阐述了斯格明子在电子应用方面的现状及展望。《Proceedings of the IEEE》创刊于1913年,是IEEE最古老的杂志之一,目前影响因子为5.629,也是近年来深圳市首次在这个期刊上发表论文。

       周艳教授总结道,“我们的研究成果将会对自旋电子学科领域的拓扑磁结构的研究产生重要影响,推动该学科的发展”。 

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