手性磁體與超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中的斯格明子-超導(dǎo)磁通對(duì)

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近些年來實(shí)驗(yàn)中觀察到的具有實(shí)空間非平庸拓?fù)湫缘乃垢衩髯优c超導(dǎo)磁通的相互作用引起了人們極大的興趣。理論上早就指出在手性磁體和超導(dǎo)薄膜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中斯格明子會(huì)與超導(dǎo)磁通產(chǎn)生相互作用而形成一種復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此類復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，斯格明子的非共線交換場(chǎng)會(huì)影響超導(dǎo)序參量的對(duì)稱性而導(dǎo)致拓?fù)涑瑢?dǎo)電性的產(chǎn)生，超導(dǎo)電流和超導(dǎo)磁通也為低能耗操控斯格明子提供了一種新的途徑。迄今為止，盡管有大量相關(guān)的理論工作，實(shí)驗(yàn)上尚未直接觀察到此類斯格明子-超導(dǎo)磁通對(duì)的存在。
 

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SC03課題組邱祥岡研究員與M02課題組韓秀峰研究員、于國強(qiáng)研究員合作，在前期成功生長(zhǎng)Ta/IrMn/Ir/CoFeB/MgO/Ta磁性多層膜，并在室溫觀察到零場(chǎng)下的斯格明子(奈爾型)的基礎(chǔ)上，將七層Ta/Ir/CoFeB/MgO磁性多層膜與Nb薄膜一起做成異質(zhì)結(jié)，利用磁力顯微成像成功地觀察到了斯格明子與超導(dǎo)磁通形成的束縛對(duì)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：1、在這種結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)施加1750高斯的垂直磁場(chǎng)將其完全磁化，再將磁場(chǎng)降到零時(shí)，斯格明子會(huì)在鐵磁層中穩(wěn)定存在；2、在鐵磁層中形成斯格明子后，再通過零場(chǎng)冷的步驟把溫度降到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下(5 K)時(shí)，可以觀察到3種成像結(jié)構(gòu)，即：孤立的斯格明子、量子化的超導(dǎo)磁通、以及斯格明子-超導(dǎo)磁通對(duì)。3、在不加外場(chǎng)時(shí)，會(huì)有斯格明子-超導(dǎo)磁通對(duì)的存在，而在單層Nb膜中則觀察不到超導(dǎo)磁通。4、斯格明子-超導(dǎo)磁通對(duì)中斯格明子和超導(dǎo)磁通為同軸結(jié)構(gòu)，在外加反向磁場(chǎng)時(shí)是穩(wěn)定的，而在正向磁場(chǎng)下則不穩(wěn)定。
 

　　該工作用直觀成像的方法驗(yàn)證了長(zhǎng)期以來理論預(yù)言的斯格明子-超導(dǎo)磁通束縛對(duì)的存在，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)斯格明子滿足一定條件時(shí)，其雜散場(chǎng)足以在超導(dǎo)薄膜層中產(chǎn)生超導(dǎo)磁通，從而形成一種復(fù)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。只需要一個(gè)高斯量級(jí)的磁場(chǎng)就可以對(duì)這種復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行操控，這提供了一種低能耗來實(shí)現(xiàn)基于斯格明子的自旋電子學(xué)器件的方法。此外，理論預(yù)言當(dāng)改變手性磁體與超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，在手性磁體與超導(dǎo)體之間引入自旋軌道耦合后，這種斯格明子-超導(dǎo)磁通對(duì)復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以承載馬約拉納零能模，從而提供一種實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的新的平臺(tái)。
 

　　上述相關(guān)成果以“Visualization of Skyrmion-Superconducting Vortex Pairs in a Chiral-Magnet–Superconductor Heterostructure”為題發(fā)表于Physical Review Letters 133，166706 (2024)，文章被選為Physical Review Letters當(dāng)期雜志的編輯提示(Editor’s suggestion)文章。物理所博士生謝永節(jié)、錢昂、何斌、博士后吳馭飆為共同第一作者，邱祥岡研究員為通訊作者。韓秀峰研究員、于國強(qiáng)研究員、許兵研究員在樣品的設(shè)計(jì)、制備以及數(shù)據(jù)分析方面共同開展了工作。該工作受到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等資助。
 

　　左圖：手性磁體-超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；右圖：零場(chǎng)、5K時(shí)磁力顯微成像圖，綠色方框內(nèi)是斯格明子-超導(dǎo)磁通對(duì)，邊上的黃色小圓點(diǎn)為孤立的斯格明子，右上角插圖為基于Ginzburg-Landau方程計(jì)算的共軸結(jié)構(gòu)的斯格明子-超導(dǎo)磁通對(duì)。