近日，上海大学材料基因组工程研究院曹桂新教授团队与复旦大学车仁超教授团队合作在国际著名期刊《Nature Communications》（影响因子：16.6）上发表题为“Distinct Skyrmion Phases at Room Temperature in Two-dimensional Ferromagnet Fe3GaTe2”的研究论文。
磁性斯格明子因其纳米级拓扑自旋构型而被视为制备新型赛道存储器的潜在候选者。在这种存储器中，斯格明子沿着赛道移动，并通过它们的存在与否来编码信息。然而，斯格明子霍尔效应导致它们在赛道边界处发生横向运动并湮灭，这是基于拓扑的存储器中的一个主要障碍。虽然有几种方案被提出来解决这个问题，比如利用反铁磁体和亚铁磁体进行磁化补偿等，但将铁磁材料作为首选系统尚未被考虑。最近的理论研究表明，零霍尔角可以通过铁磁体内的混合斯格明子实现，即混合Bloch-Néel两种手性自旋织构，人们在对Ta/CoFeB/Ir异质结构的研究已经从实验上证实了这一结论。然而，在铁磁单晶材料中实现这种奇异的自旋纹理仍然是一个挑战。
斯格明子示意图和Fe3GaTe2单晶材料的磁性表征
相比于异质结构，单一材料内多种斯格明子的共存为设计自旋电子学器件提供了新的自由度。例如，磁存储器中的二进制数据流可以通过两种不同的斯格明子进行编码，这有望降低赛道存储器中的错误率。此外，因为大的隧道磁电阻、强自旋轨道耦合和非常规响应等物理特性，二维范德华磁体成为基于拓扑的自旋电子学的研究平台，磁性斯格明子也被发现。然而，大多数这些材料的居里温度低于室温，限制了它们的进一步应用。迄今为止，仅在100K的Fe5GeTe2中报道了多个孤立子相位的共存。因此，探索室温下具有多种拓扑自旋结构共存的二维范德华磁材料对于新型赛道存储器的应用至关重要。
在这项研究中，作者在室温下利用洛伦兹透射电子显微镜(LTEM)在二维范德华磁性材料Fe3GaTe2单晶中观察到了两种不同种类的斯格明子相（混合相和布洛赫相）。通过在相同成像条件下使用LTEM模拟系统性地拟合了自旋纹理的强度分布作为样本倾斜的函数，成功地识别了斯格明子和畴壁的自旋构型。结果表明，偶极相互作用和Dzyaloshinskii–Moriya相互作用之间的紧密关联有助于稳定具有高热稳定性的混合Bloch-Néel拓扑自旋纹理。这些发现提出了一种新的数据编码方法，其中数据流可以在室温下编码在由两种不同粒子组成的单链中。
场冷过程后室温及以上布洛赫斯格明子和混合斯格明子的共存
复旦大学车仁超教授和上海大学材料基因组工程研究院曹桂新教授为论文共同通讯作者。复旦大学博士研究生吕晓伟，复旦大学青年研究员吕华良和上海大学材料基因组工程研究院博士研究生黄亚磊为共同第一作者。此外，材料基因组工程研究院硕士研究生董艺慧为共同合作者。该论文获得了国家自然科学基金项目和科技部重点研发计划的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47579-9