作者:李龙

近期，中科院合肥研究院强磁场科学中心低功耗量子材料研究团队利用透射电镜定量电子全息磁成像技术，在单轴手性磁体Cr_1/3NbS₂中发现了磁孤子向磁斯格明子的拓扑相变。相关研究成果以“Transformation from Magnetic Soliton to Skyrmion in a Monoaxial Chiral Magnet”为题发表在《Advanced Materials》上。

拓扑磁结构是构筑新型磁存储器的基本单元。在手性磁体中，拓扑磁结构的形成和自旋构型取决于Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用的类型。例如在单轴手性磁体中（如Cr_1/3NbS₂），会形成周期可调的磁孤子；在立方非中心对称的手性磁体中（如 FeGe，Mn_1.4PtSn），会形成磁斯格明子或反斯格明子。具有不同自旋构型的拓扑磁结构之间可以发生转换，例如斯格明子和麦韧，斯格明子和反斯格明子, 斯格明子和磁泡等。在单一材料中，利用两种不同类型的拓扑磁结构分别存储二进制数据“0”和“1”，对于拓扑磁存储器件的构筑具有实际意义。然而，由于DM（Dzyaloshinskii–Moriya）作用类型不同，手性磁孤子和斯格明子之间的拓扑转换一直受到限制。

针对这一问题，我们利用几何边界限域效应，通过对磁孤子两端磁结构的调制，打破了DM作用的限制，在单轴手性磁体 Cr_1/3NbS₂中实现了磁孤子向磁斯格明子的拓扑相变。利用透射电镜电子全息磁成像技术，发现新形成的斯格明子是长度可调的，并且上下末端由两个拓扑荷为1/2的麦韧组成，拓扑磁结构的总拓扑荷为单位1。并且，实验上也发现了这一拓扑相变的厚度依赖性，表明偶极-偶极相互作用在相变过程中发挥了重要的作用，与微磁模拟的结果一致。这一发现丰富了拓扑磁结构家族，对于构筑新型磁电子学器件具有重要意义。

强磁场科学中心博士生李龙为论文第一作者，强磁场科学中心杜海峰研究员、安徽大学宋东升教授和王伟伟副教授为论文共同通讯作者。强磁场科学中心田明亮研究员，华南理工大学郑风山教授，德国于利希研究中心Rafal E. Dunin-Borkowski教授和András Kovács博士为论文的合作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中科院战略性先导科技专项等项目的支持。

图 DM作用类型与对应的拓扑磁结构（左）

电子全息技术揭示单轴手性磁体Cr_1/3NbS₂中发现的磁斯格明子（右）

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202209798