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单轴各向异性阻挫Kagome磁体中的多拓扑态宽温区磁性斯格明子

   

磁性斯格明子(Magnetic Skyrmion)是一种具有手性自旋的纳米磁畴结构单元。由于它具有拓扑保护性、低驱动电流密度(比驱动传统畴壁低5~6个数量级),以及磁场、温度和电场等多物理作用调控的特性,磁性斯格明子被认为是未来高密度、高速度、低能耗信息存储器件的核心材料。Fe3Sn2是由双层Fe-Sn原子层和Sn原子层交替组成,其中Fe原子构成双层Kagome三角格子。在低温下Fe磁矩为面内阻挫结构,随着温度的升高,自旋逐渐转向c轴,在120 K到居里温度640 K的宽温域范围内自旋为带有倾角的阻挫结构。通过洛伦兹电镜观察到:Fe3Sn2单晶样品随着c轴方向磁场的增加,从条状磁畴逐渐转变成拓扑平庸磁泡和拓扑非平庸磁泡(斯格明子)纳米磁畴的过程。随着磁场的增加,那些拓扑平庸磁泡逐渐消失,受拓扑保护的磁性斯格明子具有更高临界磁场,这和微磁学模拟的结果一致。这种多种拓扑态自旋结构是以前报导的磁性斯格明子材料所没有的特性。 本工作在Kagome晶格阻挫磁性金属间化合物Fe3Sn2中,首次获得目前具有最高居里温度(~640K)及最宽温度区域(120K~640K)稳定存在的多拓扑态磁性斯格明子。为推动磁性斯格明子的进一步研究和实际应用,以及对自旋拓扑物态的深入研究都具有重要的意义。

Fig . Magnetic field dependence of the magnetic domain morphology imaged using LTEM at 300 K. a–d) The overfocused LTEM images under differentout-of-plane magnetic fields at 300 K. The regions in the white boxes show the different types of magnetic bubble domains. e–h) Enlarged LTEMimages of the white boxes in panels (a)–(d) showing the magnetic bubble domains. i–l) Corresponding spin textures for the bubble domains shownin panels (e)–(h), extracted from the analysis using TIE. Colors (the inset of panel (i) shows the color wheel) and white arrows represent the directionof in-plane magnetic induction, respectively, whereas the dark color represents the magnetic induction along the out-of-plane direction. Panels (e) and(f) display the type-II bubbles, and panels (k) and (l) show different types of skyrmionic bubbles.

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