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合肥研究院在手性磁孤子研究中取得进展


近日,中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心稳态强磁场实验装置(SHMFF)用户、研究员张蕾课题组,在手性磁孤子研究方面取得进展。针对层状手性磁孤子材料MnNb3S6和YbNi3Al9,研究人员利用强磁场中心的ESR等设备对其手性磁孤子的微波响应和临界行为进行研究,相关成果分别以Microwave response of the chiral helimagnetic MnNb3S6和Critical phenomenon of the layered chiral helimagnetic YbNi3Al9为题,发表在Applied Physics Letters和New Journal of Physics上。

手性磁孤子(Chiral Magnetic Soliton)是自旋按螺旋方式排列形成的“孤子状”的“准粒子”磁构型,表现为扭结状的拓扑磁结构。手性磁孤子是自旋、轨道、晶格等多种自由度之间竞争和耦合的结果,其形成条件苛刻,一般形成于具有层状结构的单轴非中心对称晶体中,目前仅在MnNb3S6和YbNi3Al9等少数体系中发现。在这类材料中会产生Dzyaloshinskii–Moriya(DM)相互作用,而DM相互作用会和铁磁交换相互作用之间产生竞争,从而形成螺旋形的自旋基态。在一定的温度下,通过施加合适的磁场就可以形成手性磁孤子态。同时,可以通过磁场、压力、微波、电流等手段对其进行调控,在自旋电子器件领域具有潜在的应用价值。

由于手性磁孤子材料对微波具有特定的响应,研究人员利用SHMFF所属ESR等手段,对MnNb3S6的微波响应行为和机制进行研究,揭示手性磁孤子对微波的各向异性响应行为。此外,对另外一种手性磁孤子材料YbNi3Al9的临界行为研究发现其各向异性的自旋耦合作用,并建立H-T相图。
该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、强磁场联合基金、中科院高端用户基金等的支持。

(a)手性磁孤子材料MnNb3S6对微波的响应;(b)手性磁孤子材料YbNi3Al9的H-T相图


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