兼具温度、电流、磁场等多物理场协同调控的高分辨洛伦兹透射电镜在实空间探索纳米尺度新型磁畴结构、原位揭示与磁性相关的新奇物理现象微观机制以及自旋原理性器件应用方面发挥着越来越重要的作用。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心磁学实验室张颖研究团队在沈保根院士总体组织下，近几年利用高分辨磁畴多物理场调控、电输运测量于一体的高分辨率磁畴动力学研究平台，以及自主发展的原位调控拓扑磁畴新方法，从微观角度重点研究了纳米尺度磁性斯格明子、磁涡旋、磁泡等多种非线性磁畴结构生成与调控，揭示了非线性拓扑磁畴结构的形成规律和物理机制，在多个材料体系中实现了零磁场下、宽温区内可作为非易失磁性存储单元的高密度拓扑磁畴结构，促进了新型拓扑自旋电子器件的应用以及新物态、新功能、新材料的发现。
除拓扑磁畴本身的演变，在磁畴壁探索拓扑结构方面也取得了进展，众所周知，磁畴壁普遍存在于磁性材料中，是两个磁畴之间具有不同方向磁矩的过渡界面，根据自旋的旋转过渡方式可分为Bloch型和Néel型。尽管有理论研究表明磁畴壁斯格明子存在的可能性，但因畴壁尺寸较窄而鲜有磁畴壁进一步演变成拓扑磁性物态的实验报道。研究团队与多方合作首次在二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中观察到了一种由180°磁畴壁演变形成的新型拓扑磁激发态--畴壁麦纫链（图1）（Adv. Mater. 2020, 32, 202005228）。揭示了该拓扑激发态是由温度降低磁各向异性c方向到ab面转变时的自旋重取向诱发，同时受到磁畴壁的限制以及c方向弱范德华力共同作用而形成。实验上畴壁上麦纫态的实空间解析、拓扑霍尔电阻峰值的变化及其在外加磁场和电压作用下的整体运动行为，证实了新型畴壁拓扑态的存在。
近期，张颖研究员与沈保根院士带领博士生李卓霖和苏鉴与美国阿拉莫斯国家实验室林士增研究员紧密合作，在总结磁畴壁拓扑结构形成机制的基础上，设计制备了GdFeCo非晶亚铁磁薄膜，不仅再现了畴壁麦纫态的生成，还进一步实现了畴壁麦纫与畴壁斯格明子之间的拓扑磁畴结构的演变（图2）。利用实验上自旋重取向引起的磁性参数变化进行微磁学模拟揭示了磁畴壁拓扑结构演变的微观机制（图3），研究了磁畴壁拓扑结构在外加电流作用下的动力学行为，为进一步探索新型拓扑磁畴结构及其应用提供了一个全新的平台。
相关结果发表在《自然·通讯》上（Field-free topological behavior in the magnetic domain wall of ferrimagnetic GdFeCo），研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院战略性先导科技专项（B类）以及中科院青促会的支持。
【文章链接：】
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005228
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25926-4.pdf
图1. 二维范德华铁磁材料Fe5-xGeTe2中，温度降低时原位实空间观察新型拓扑磁激发态--畴壁麦纫链由180°磁畴壁演变过程。
图2. 总结磁畴壁拓扑结构形成机制，设计制备非晶GdFeCo薄膜样品，原位实验观察到磁畴壁麦纫与磁畴壁斯格明子之间的演变。
图3. 根据自旋重取向磁性参数的变化进行微磁学模拟揭示了磁畴壁拓扑磁畴结构演变的微观机制。