近日，中科院合肥研究院强磁场中心在拓扑磁结构研究中取得新进展，通过透射电子显微镜的差分相位衬度成像技术于实空间观察到kπ斯格明子在磁场下的演化过程，并利用微磁学模拟对它们的三维结构进行了分析。相关研究成果以“Magnetic kπ-Skyrmions and their Field-Driven Evolutions in a Nanostructured Centrosymmetric Magnet”（在中心对称纳米结构磁体中磁kπ斯格明子以及它们在磁场下的演化）为题发表在期刊Acta Materialia上。

kπ斯格明子是由若干个个同轴的斯格明子互相嵌套形成的拓扑磁结构，磁矩从中心到其边界旋转角度为kπ，k可理解为嵌套的斯格明子数目。对kπ斯格明子的理论预测早在上世纪已有报道，研究发现kπ斯格明子具有诸多有趣的物理性质，特别是当k = 2时，kπ斯格明子的拓扑数为零，在电流驱动下不会产生斯格明子霍尔效应，运动轨迹基本保持一条直线，这种磁结构也被称为类斯格明子，有望应用于新型自旋电子学器件。然而对于kπ斯格明子的研究一直停留在理论中，实验上对kπ斯格明子的观察很少，因此研究团队进行了中心对称磁体Fe₃Sn₂纳米结构中kπ斯格明子的探索工作。

由于拓扑磁结构的尺寸往往在百纳米量级，常规的磁表征手段难以满足需要，因此研究团队使用透射电镜进行磁结构的实空间观察，开展差分相位成像技术观察磁结构。差分相位衬度技术由四等分的环形探测器接收电子相位信息，互相垂直的探测器获取的信号做差，经过计算机处理得出磁衬度信息。运用差分相位衬度成像技术，团队已成功观察到中心对称磁体Fe₃Sn₂中靶态磁泡以及倾斜磁晶产生的二类磁泡。

研究团队利用聚焦离子束技术制备了一系列不同直径的Fe₃Sn₂纳米圆盘，在电镜下原位施加磁场，并使用差分相位衬度技术进行表征。研究发现：不同直径的纳米圆盘中kπ斯格明子的k不同，直径越大对应的k值越大。施加磁场后，kπ斯格明子先变得更圆更对称，然后会发生斯格明子环的变形或破裂，演化成不同的磁结构。其中k = 2,3时，在较高磁场下（k+1）π斯格明子转变为kπ斯格明子，产生类斯格明子磁泡，即由两个斯格明子磁泡互相嵌套而成的拓扑磁结构。研究团队还进行了微磁模拟分析三维磁结构，模拟结果与实验现象吻合。

在室温下，研究团队实现了kπ（k = 2,3,4）斯格明子的观测，并对其在磁场下的演化过程进行了探索，首先观察到了类斯格明子磁泡这种新型磁结构，丰富了拓扑磁结构的谱系，未来有望促进斯格明子类磁粒子的应用。强磁场科学中心2019级硕士生蒋佳良、博士生吴耀东为本论文的共同第一作者，研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117084