【儀表網 研發快訊】近日，上?？萍即髮W物質科學與技術學院拓撲物理實驗室張石磊教授帶領課題組本科生和研究生通力合作，利用軟X射線泵浦探測技術發現了拓撲磁結構中的非常規弛豫過程，揭示了三維拓撲缺陷減緩磁有序弛豫過程的細節，研究成果發表在學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
以螺旋磁結構和磁斯格明子為代表的非共線磁有序相具有在三維實空間中扭曲并調制的微觀自旋構型。由于其特殊的手性和拓撲結構，非共線磁有序材料具有常規鐵磁材料不具備的豐富物理效應。非共線磁結構的自旋動力學可以用微磁理論框架描述。在該理論下，這些磁性結構在受到外部激勵后經過一系列阻尼震蕩將在納秒內恢復到平衡態。然而，研究團隊發現，這一恢復過程在實驗觀測上可以延長至百毫秒量級，遠遠超出了傳統理論描述下的時間尺度。
圖1 (a,b)基于軟X射線磁散射的泵浦探測原理與(b)兩步弛豫過程示意圖。
為解釋這一現象，研究團隊提出了“兩步弛豫過程”。如圖1所示，在傳統微磁理論預測下，體系在納秒時間尺度迅速將序參量優化-在空間形成調制和有序(第一步弛豫)。然而，對于非共線磁有序相，即便在宏觀序參量優化的狀態下，三維拓撲奇點會自發形核，并隨機分布在體系中。這些具有拓撲保護的缺陷猶如打了結的繩索，很難在納秒尺度被“解開”。而體系在此時還未達到平衡態，只能用更長的時間(第二步弛豫)來“消化”這些三維拓撲缺陷。 為了精確觀測這一演變過程，研究團隊使用共振彈性X射線散射(REXS)泵浦探測技術(圖1)研究了手性磁體。研究發現，非共線磁結構需要長達約0.2秒的時間才能恢復到平衡狀態，即，這些三維拓撲奇點的壽命在百毫秒量級。
非共線磁序中因為拓撲缺陷導致的延緩弛豫動力學對拓撲物態的研究可能產生深遠的影響。能夠控制和操縱拓撲缺陷，有希望推動更高效和高速的自旋電子器件的發展。上海科技大學為該項研究的第一完成單位，物質學院2022級本科生張宸豪、2023級碩士研究生吳楊、陳敬貽為文章共同第一作者，張石磊教授為文章的通訊作者。其中，吳楊和陳敬貽在實驗上精準測量了三維拓撲奇點的演化過程，張宸豪開展了系統的數據分析和理論計算，完善了自旋三維拓撲缺陷動力學的物理圖像。
得益于上海科技大學物質學院拓撲物理實驗室的先進材料制備和表征平臺，課題組能夠獲得高質量樣品，進而采集到關鍵數據。英國鉆石光源和牛津大學為該工作的共同合作單位，與合作單位的課題實驗與討論也對該工作起到了重要的作用。
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