多层 SF 斯格明子的原理图、磁滞回线和器件结构。图片来源：Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-54851-5

三个不同的拓扑自由度用于定义基于面外和面内自旋配置的所有拓扑自旋纹理：拓扑电荷，表示磁化矢量 m 环绕单位球体的次数;涡度，量化磁矩沿畴壁圆周方向的角度积分;和螺旋度，定义面内磁化的漩涡方向。

由于这三个自由度的电操作在未来自旋电子器件中的潜在应用而受到广泛关注。其中，磁斯格明子的螺旋度（一种关键的拓扑特性）通常由 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 （DMI） 决定。然而，控制斯格明子的螺旋度仍然是一个艰巨的挑战。

由香港中文大学（深圳）的 Yan 周 教授和兰州大学的 Senfu Zhang 教授领导的科学家团队成功演示了利用自旋轨道扭矩对斯格明子进行可控螺旋度切换，并通过热效应进行增强。

这项工作发表在《自然通讯》杂志上。

在他们的工作中，电流脉冲被施加到由 [Pt/Co] 组成的磁性多层条带上3/ru/[co/pt]3.研究人员观察到与电流方向相反的斯格明子运动。

在连续脉冲时，注意到粒子的运动方向发生了意外的反转。实验和微磁模拟分析表明，多层系统上下铁磁层中的斯格明子表现出不同的螺旋度，形成混合合成铁磁斯格明子。

该团队发现，随着焦耳热在施加电流过程中累积，自旋轨道扭矩会破坏各种能量相互作用之间的平衡，包括 DMI、Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida （RKKY） 相互作用和偶极相互作用。这种破坏触发了斯格明子中的螺旋度翻转，导致观察到的运动突然反转。

这项工作标志着该团队继早期对不同自旋拓扑结构之间的相互转换进行实验观察并成功合成人工反铁磁斯格明子之后的又一重大进展。

这些发现进一步验证了基于自旋拓扑结构的早期概念的可行性，例如跑道存储器、逻辑电路、微波器件和拓扑神经形态计算，这些概念已成为拓扑自旋电子学领域的热门话题。

周教授说：“这项研究引入了控制螺旋度的创新方法，突破了自旋电子器件应用的界限，如数据存储和基于斯格明子螺旋度的量子计算。

更多信息：Kai Wu 等人，合成铁磁斯格明子的拓扑变换：自旋轨道扭矩对螺旋度的热辅助切换，Nature Communications （2024）。DOI： 10.1038/s41467-024-54851-5

期刊信息： Nature Communications