科研进展丨本实验室陈伟津教授课题组发表拓扑磁结构形变与涌现力学综述文章

      斯格明子（Skyrmion）源自英国物理学家托尼·斯格明（Tony Skyrme）在1962年为研究强子稳定性而提出的一种拓扑构型。此后，人们将具有相同拓扑特征的矢量场结构统称为“斯格明子”。自2009年在磁性材料中被首次实验证实以来，磁斯格明子凭借纳米级的极小尺寸和独特的涌现物理特性，在新型电子器件领域迅速崭露头角。长期以来，磁斯格明子的几何构型变化（即形变）一直未受到足够关注。近年来，越来越多的研究表明，磁斯格明子即便在微小的外部加载下也会发生显著形变，显示出令人意外的“柔性”。这种形变引发了诸多新现象：如远超理论预测的有效质量、速度与外加载之间的非线性关系、以及变化的斯格明子霍尔角等。理论与实验的最新进展正日益聚焦于磁斯格明子形变与其动力学之间的耦合效应。

图1. 斯格明子形变与动力学的耦合行为

      近日，广东省磁电物性分析与器件重点实验室陈伟津教授课题组应英国物理学会邀请，在《物理学进展报告》（Reports on Progress in Physics）上撰写题为“Dynamics of magnetic skyrmions under steady and time-varying deformation”的综述文章，系统综述了磁斯格明子在静态与动态形变下的动力学特性，揭示了其通过“形变工程”（deformation engineering）实现器件功能优化与新型器件应用的巨大潜力。作者分析了磁斯格明子三种形变模式（包括径向伸缩、轮廓变形及螺旋度改变）的发生原因，随后阐述了研究磁斯格明子形变动力学的理论与实验方法，进而讨论了形变对磁斯格明子动力学特性的影响规律（如图1所示），最后总结了磁斯格明子形变动力学的器件应用前景。

      该综述也指出了当前磁斯格明子形变研究中面临的挑战：1. 表征困难。斯格明子形变涉及大量自旋的集体演化，实验难以同步分辨整体与细节，理论难以从海量自由度中凝练的可观测量，亟需发展新实验与理论方法。2. 机理不清。在电/磁/力等多物理场驱动下，磁斯格明子形变呈多模式、强非线性与路径依赖特性，其形变机理尚待澄清。3. 现象未知。在多斯格明子协同体系中，形变相互耦合涌现出新的集体行为，其物性响应与调控规律尚缺系统刻画，相关现象仍需探索。针对上述挑战，该综述梳理并阐明了“微结构涌现力学”的核心思路: 将大量微观组分（如自旋、极化）的协同演化过程提取为少数集体运动模式，归纳其广义坐标和广义力的约束关系。使得微观层面的规律未显式包含力学因素和规律, 也会在更高层级自发涌现出新的力学定律。涌现力学为磁电微结构在多场耦合下的复杂演化动力学提供了有效的分析框架。

      正如作者在综述中强调：“斯格明子的形变是挑战，更是机遇。通过形变工程，我们不仅能优化现有器件性能，更能创造出基于拓扑磁动力学的全新功能器件。”对磁斯格明子形变动力学问题开展深入研究，有望为自旋电子器件调控与设计注入全新思路。

      综述于近日发表在国际物理期刊《Reports on Progress in Physics》上。该期刊是国际物理学最具影响力的综述期刊之一，仅面向各领域卓有建树的学者约稿。本文亦为拓扑磁结构方向在该刊发表的首篇综述。该工作由中山大学独立完成，物理学院郑跃教授、材料学院陈伟津教授为论文通讯作者，物理学院博士后刘林杰为第一作者。材料学院博士后孙菲、物理学院博士生任建华参与了该工作的撰写。该研究工作得到了国家自然科学基金委、广东省磁电物性基础学科研究中心、广东省磁电物性分析与器件重点实验室以及光电材料与技术国家重点实验室的大力支持。

论文链接： https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6633/adf8fe/meta