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汤进教授团队发现新型斯格明子-反斯格明子拓扑自旋结构

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近日，物理与光电工程学院汤进教授等在三维拓扑磁结构探索研究中取得新进展，论文以“Sewing skyrmion and antiskyrmion by quadrupole of Bloch points”为题发表在Science Bulletin期刊上。研究工作澄清了当前焦点反斯格明子材料中潜在的拓扑自旋结构分辨疑云，重新定义了该系列材料的应用前景，建立了S4对称斯格明子材料的完整三维磁结构模型，提供了一种斯格明子-反斯格明子耦合新方案，将有力推动拓扑磁性理论的发展和拓扑自旋电子学器件的构筑。汤进教授为第一作者兼通讯作者，安徽大学为第一单位，刘威博士和杜海峰研究员为共同通讯作者，物理学院田明亮教授、材料学院王守国教授和合肥师范学院吴耀东高级实验师等为论文的重要合作者。

三维斯格明子-反斯格明子

磁斯格明子是一类涡旋状拓扑自旋结构，具有类粒子属性。类似于粒子-反粒子，斯格明子也具有与其拓扑序参量相反的“反粒子”：反斯格明子。与斯格明子相比，反斯格明子具有反型涡旋性。斯格明子-反斯格明子耦合不仅能够用来模拟粒子-反粒子作用等基础物理科学问题，其霍尔天平动力学特性也能够应用于赛道存储等拓扑自旋电子学器件中。在D2d和垂直磁晶相互作用竞争下，S4对称FeNiPdP合金等材料中能够同时稳定斯格明子和反斯格明子，是实现斯格明子-反斯格明子的理想材料载体。然而，在二维平面内，斯格明子与反斯格明子为排斥相互作用，不利于耦合对的形成。

汤进教授团队长期从事三维拓扑自旋结构探索与电学操控研究，他们紧密结合二维洛伦兹透射电镜先进磁表征和三维微磁学模拟，首先发展了高精度表征磁结构方法：扫描透射差分相位分析技术，并提出基于三维磁结构在二维空间投影的非一致性分辨三维磁结构的方式，理论设计并实验观测到多种复杂三维磁结构：磁束子(Nat. Nanotechnol. 16: 1086 (2021);Adv. Mater. 2306117 (2023))、三维偶极斯格明子(Natl. Sci. Rev. 8: nwaa200 (2021); ACS Nano, 14: 10986 (2020))和斯格明子-磁泡杂化态(PRB, 107: 174425 (2023); PRB 103: 214435 (2021))等。

研究团队联合中科院强磁场科学中心杜海峰研究员和安大物质科学与信息技术研究院刘威博士等，深入研究了FeNiPdP合金中的拓扑自旋结构。他们通过开发材料的厚度维度，创新性理论提出并实验发现了斯格明子-反斯格明子耦合新形式：在厚度方向上通过奇异布洛赫点四极子堆垛斯格明子与反斯格明子形成三维管状结构。他们提出了一种二维投影空间磁化强度分布判据来准确实验分辨三维斯格明子-反斯格明子与反斯格明子结构的方法。

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