近期，中科院合肥研究院強磁場(chǎng)中心磁性功能材料與器件研究團隊利用洛倫茲透射電子顯微鏡研究了Kagome晶體Fe₃Sn₂中的磁結構，澄清了該類(lèi)材料中的復雜多拓撲態(tài)的起源，成果以“Two-dimensional characterization of three-dimensional nanostructures of magnetic bubbles in Fe₃Sn₂”為題發(fā)表在《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。以此為基礎，團隊進(jìn)一步在Fe₃Sn₂納米盤(pán)中觀(guān)測到一類(lèi)新型零磁場(chǎng)和室溫下穩定的磁渦旋結構，被命名為靶態(tài)磁泡，該成果以“Target Bubbles in Fe₃Sn₂ Nanodisks at Zero Magnetic Field”為題發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì )納米》（ACS Nano）。 

　　磁泡是一類(lèi)“古老”的柱狀磁疇結構，但第一類(lèi)磁泡具有與斯格明子相同的非平庸拓撲性，被命名為磁泡斯格明子，在未來(lái)自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域具有潛在的應用價(jià)值，因而重新獲得了科學(xué)家們的廣泛研究興趣。Fe₃Sn₂是中國科學(xué)家率先發(fā)現的一類(lèi)Kagome晶體磁泡材料，在其中觀(guān)察到了高溫穩定的磁泡斯格明子(Hou et al., Adv. Mater. 2017, 071144)，同時(shí)還發(fā)現了多種復雜磁結構，如“多環(huán)磁渦旋”和“弧形磁渦旋”等，類(lèi)似的“多拓撲性”復雜磁結構也在其他多個(gè)磁泡斯格明子材料中觀(guān)察到。但這些復雜磁結構不能用傳統磁泡理論來(lái)解釋?zhuān)蔀榱舜排菟垢衩髯友芯款I(lǐng)域的疑云，無(wú)疑限制了磁泡斯格明子的進(jìn)一步研究。 

　　為此，團隊人員分析了傳統磁結構解析技術(shù)的缺陷，利用洛侖茲透射電鏡的差分相位分析技術(shù)獲得了這些復雜磁結構真實(shí)的特征。考慮到Fe₃Sn₂相對弱的單軸磁晶各向異性，磁泡的三維結構會(huì )因為偶極-偶極相互作用導致厚度方向調制的自旋扭轉，研究人員從而進(jìn)一步模擬了該三維磁泡沿厚度方向的積分磁化分布，發(fā)現其與DPC-STEM獲得的磁結構高度一致，進(jìn)而解釋了這些復雜磁結構起源于磁結構三維特性（圖1）。 

　　以此為基礎，研究人員進(jìn)一步制備了Fe₃Sn₂納米盤(pán)，通過(guò)零磁場(chǎng)加熱方式，成功實(shí)現了從傳統軟磁磁渦旋到一類(lèi)新型環(huán)狀磁渦旋結構的轉變，該環(huán)狀磁渦旋結構類(lèi)似于箭靶，因此被研究人員命名為“靶態(tài)磁泡”。靶態(tài)磁泡的環(huán)數可以利用納米盤(pán)的直徑來(lái)有效調節（圖2），且室溫和零磁場(chǎng)下穩定存在，并且具有多重簡(jiǎn)并態(tài)，是器件的理想信息載體。靶態(tài)磁泡研究工作被ACS Nano編輯選為亮點(diǎn)（Highlighted）工作，在同期In Nano欄目中作重點(diǎn)介紹（https://doi.org/10.1021/acsnano.0c07484）。 

　　上述工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中國科學(xué)院儀器研制項目、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項目等項目的資助。 

　　三維磁泡斯格明子文章見(jiàn)鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa200 

　　靶態(tài)磁泡文章見(jiàn)鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c04036 

圖1 磁泡斯格明子的三維結構 

圖2  不同直徑納米盤(pán)中的靶態(tài)磁泡結構