自旋拓扑结构（典型的如磁斯格明子）被认为是具有巨大应用潜力的信息载体，IBM、Intel、三星等国际知名企业密切关注与积极研发基于磁斯格明子的应用器件。香港中文大学（深圳）理工学院周艳教授课题组通过自旋轨道矩成功实现了对磁斯格明子helicity的调控，并在实验中观测到自旋拓扑结构电学驱动的新奇动力学行为。

研究团队利用磁控溅射制备基于[Pt(0.5)/Co(0.5)]₃/Ru(1.8)/[Co(0.5)/Pt(0.5)]₃ (括号内数字代表厚度，单位纳米)【图1(a)】多层膜体系，由于体系较弱的DMI作用，磁斯格明子helicity可以在自旋轨道矩驱动下以及在热效应辅助下实现转换，不同helicity的斯格明子【如图1(c)所示】在连续施加的电流脉冲下可以表现出不同的运动方向【如图1(b)所示】。电流的大小和方向都是给定的，如果脉冲之间的间隔较大，引起的热效应可以忽略，斯格明子会一直沿着某个方向运动。通过调控脉冲的长度和间隔，磁斯格明子在有限的运动距离内发生helicity的转变，这样斯格明子运动的方向会发生改变【图1(b)】。通过斯格明子的动力学研究可以反推斯格明子的自旋构型变化，微磁模拟也验证了这种猜想，如图1(d)所示，我们可以看到在40ns时自旋构型发生变化的同时，运动速度也出现了反向，很好的解释了实验结果。

该研究成果发表在《自然通讯》【Nature Communications，15，10463(2024)】上。第一作者为周艳教授课题组成员，周艳教授为该论文通讯作者。本工作是继周艳教授团队实验观测不同自旋拓扑结构相互转换【Nature Communications，14，3406 (2023)】和成功制备人工合成反铁磁斯格明子【Adv. Funct. Mater.2303133 (2023)】后的又一重要进展，进一步验证了早期提出的基于自旋拓扑结构的赛道存储器、逻辑电路、微波源器件及拓扑类脑计算等概念的可行性。这些概念已成为拓扑自旋电子学领域的研究热点。

此外，课题组关于自旋拓扑结构的综述文章近期发表于Advanced Materials [Advanced Materials, 2312935 (2024)]和Applied Physics Review [Applied Physics Review, 11, 041335 (2024)]，系统总结了磁性斯格明子的研究现状，展望了拓扑自旋电子学的未来发展前景，并重点汇总了斯格明子霍尔效应的研究进展。

图1 实验观测到自旋拓扑结构的新奇动力学

图2 各种新型自旋拓扑结构的磁光克尔成像

作者简介

周艳教授是香港中文大学（深圳）理工学院教授，科研聚焦自旋电子学、纳米磁性材料领域，致力于解决摩尔定律失效后的电子器件小型化、集成化的问题，寻求革新性的低能耗器件和信息处理方案。在港中大（深圳）工作期间，指导研究生10余人，指导的博士后中有3人在站期间获得国家自然科学基金青年基金项目资助。周艳教授以项目负责人（PI）的身份主持包括中国自然科学基金面上项目4项，中国自然科学基金国际合作重点项目1项，广东省创新创业团队、深圳市创新创业团队等。近五年以第一或通讯者发表JCR一区论文100余篇，团队成员以第一（通讯）作者在Nature Electronics、Nature Physics、Nature  Communications、PRL等顶级学术期刊发表论文40余篇，论文被国际同行引用15600余次（H-index 60），拥有国际及国家发明专利30余项，50多篇发表论文入选SCI前1%高被引文章，科研成果并多次被Nature自然科研等深具影响力的科研新闻网站广泛报道。基于上述研究结果，周艳教授先后入选国家级青年人才、国家科技创新领军人才，并以第一完成人获得深圳市自然科学奖一等奖、广东省自然科学奖二等奖等奖项。

 

供稿 | 周艳教授团队