斯格明子相关的螺旋磁有序体系的临界行为

介绍了与斯格明子相关的螺旋磁有序体系的临界行为.首先阐述了连续相变中的临界现象、临界指数、标度律、普适性等概念;随后介绍了磁相变体系中几种临界指数的获得方法,包括直流磁性迭代法、磁熵变法;进而,分析了几类与斯格明子相关的螺旋磁有序体系的临界行为.MnSi是典型的斯格明子材料,临界指数显示其磁性行为符合三重临界行为.MnSi的临界行为揭示:外磁场可以抑制这一体系在零场下的一级相变,使其转变为二级相变,从而在螺旋磁有序、锥形磁有序、顺磁相的三相交汇点形成三重临界点.斯格明子体系FeGe和Cu_2OSeO_3的临界行为符合三维海森伯相互作用,表明它们的磁性行为主要是由近邻的各向同性的自旋耦合作用所决定;而Fe_(1-x)Co_xSi和新发现的斯格明子体系Fe_(1.5-x)Co_xRh_(0.5)MoN的临界行为显示Co掺杂可以有效地调制其中的磁性耦合.对螺旋磁有序体系的临界行为研究表明,尽管这些体系都表现出类似的斯格明子态,但是它们的磁性耦合机制却大不相同,并且其耦合机制可以受到外界手段的调制.最后,根据普适性原理和标度方程,阐述了一种构建磁场诱导相变体系在临界温度附近H-T相图的方法.     

自旋轨道耦合的23Na自旋-1玻色-爱因斯坦凝聚体中的涡旋斑图的研究

利用阻尼映射Gross-Pitaevkii方程, 研究了二维体系中自旋轨道耦合的 ²³Na自旋-1 玻色-爱因斯坦凝聚体中的涡旋斑图, 探索自旋轨道耦合强度对涡旋斑图的影响. 研究发现, 较弱的自旋轨道耦合就可以完全破坏不考虑自旋轨道耦合情况下出现的周期性涡旋晶格; 在自旋轨道耦合较强的情况下, 各自旋态的涡旋易形成涡旋组, 它们绕凝聚体中心形成花瓣状涡旋斑图. 关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚体 自旋 涡旋     

磁性斯格明子晶格的磁弹现象与机理

近年来,人们在一些具有手性相互作用的磁性体材料及薄膜中成功观测到具有非平凡拓扑性质的二维自旋结构,称作磁性斯格明子.在大部分情况下,磁性斯格明子自发地聚集成一种晶格结构,称作斯格明子晶格.孤立的斯格明子由于其奇特的拓扑性质以及优异的电流驱动性质等"局域化特征"受到人们的广泛关注.与此相对,斯格明子晶格作为一种新颖的宏观磁性相,可能与材料固有的多场耦合性质发生相互作用进而引发许多奇特的宏观物理现象乃至新性质.在此范畴内,人们发现由于手征磁体内禀的磁弹耦合,斯格明子晶格不但对材料的力学性质产生影响,而且在外力作用下自身具备"层展的弹性性质".本文对相关现象进行梳理,并基于一种针对B20族手征磁体磁弹耦合效应普遍适用的热力学唯象模型,逐一简述对于不同类型的磁弹现象如何建模分析,进而给出其中一部分现象的实验与理论结果比对.最后,对这一领域的发展提出几个可供进一步探索的方向.     

中心对称的阻挫磁体中斯格明子直径的调节

在带有垂直各向异性的二维三角晶格磁体中,当同时存在最近邻铁磁性和第三近邻反铁磁性交换作用时,垂直于膜面施加外磁场会使体系内自旋沿着非共面的方向排列,甚至出现拓扑稳定的斯格明子自旋结构.基于蒙特卡罗模拟方法,本文研究了在该二维阻挫磁体中,竞争性交换作用和外磁场对斯格明子直径的影响.与常规非中心对称的手性磁体中的斯格明子性质类似,外磁场会磁化斯格明子外围自旋而减小斯格明子直径.但是,磁体中反铁磁性交换作用的增强会整体压缩斯格明子.本文结合自旋波理论和蒙特卡罗模拟,首次量化了此类阻挫磁体中斯格明子的直径.结果表明:在弱的反铁磁性交换作用磁体中,斯格明子直径随磁场增大而快速线性减小;随着反铁磁性交换作用的增大,斯格明子直径随外磁场增大的减小变得相对平缓,但在强磁场下也会造成斯格明子直径的加速减小;随着反铁磁性交换作用的增强,斯格明子在不同外磁场下的直径的最大值和中值均从逐渐减小到渐趋稳定,而直径的最小值则从快速减小到表现出很大的涨落.这些现象都可以通过分析斯格明子在不同交换作用和外磁场下的构型和磁能变化加以解释.该项工作阐明了在中心对称的阻挫磁体中斯格明子直径的可调节性,不仅完善了我们对斯格明子本身物理机理的认识,同时也为发展基于斯格明子的新一代存储和逻辑器件提供了理论支撑.     

周期性应变调控斯格明子在纳米条带中的运动

斯格明子是一种拓扑稳定的手性自旋结构,凭借其在磁性赛道存储器和自旋电子器件方面的巨大应用潜力而受到研究人员的广泛关注.为了使斯格明子能够更好地应用于磁性赛道存储器,研究斯格明子在纳米条带中的运动行为就变得非常重要.本文主要研究了存在周期性应变的纳米条带中铁磁斯格明子和反铁磁斯格明子在电流驱动下的运动行为.研究结果表明:周期性应变使得驱动电流存在一个临界电流密度,只有当电流密度大于临界电流密度时斯格明子才能够在纳米条带中连续移动.临界电流密度随应变振幅的增加而增加,随应变周期的增加而减小.铁磁斯格明子在周期性应变的调制下会产生周期性运动,轨迹为波浪式,其横向速度受到边界的影响,而纵向速度则与应变梯度成正比.反铁磁斯格明子在周期性应变调控下运动方向不变,但其移动速度则剧烈变化.     

磁性斯格明子的赛道存储

磁性斯格明子是拓扑稳定的自旋结构,它的尺寸小,驱动电流阈值小,被广泛认为是下一代磁性存储的基本单元.斯格明子的主要优势在于它奇特的动力学性质,特别是它能够与传导电子相互作用,在低电流密度驱动下可以在赛道上稳定地运动.本文结合磁性斯格明子赛道存储的最新研究成果,对斯格明子在赛道上的写入、驱动和读出三个方面进行了较为详细的综述.重点介绍了注入自旋极化电流这一最常见的驱动方法,分析了斯格明子在赛道上的堵塞和湮没现象,探讨了斯格明子霍尔效应及其可能造成信号丢失的危害和相关的解决方法,并在此基础上详细介绍了几种斯格明子塞道存储的优化设计方案.最后总结了磁性斯格明子赛道存储面临的一些挑战.     

动力学淬火过程中的不动点及衍生拓扑现象

本文对近两年来有关淬火动力学过程中拓扑现象的研究做简要综述.这些动力学拓扑现象被动力学过程中的衍生拓扑不变量保护,与淬火前后体系的拓扑性质有密切关系.基于人工量子模拟平台的高度可控性,已在诸如超冷原子、超导量子比特、核磁共振、线性光学等众多物理体系中,通过对人工拓扑体系动力学过程的调控,观测到如动力学涡旋、动量-时间域的Hopf映射及环绕数、拓扑保护的自旋环结构、动力学量子相变、动量-时间斯格明子等诸多动力学拓扑现象.其中某些拓扑结构还可以在非幺正动力学淬火过程中稳定存在.这些研究将人们对拓扑物相的认识和研究从平衡态推广到非平衡动力学领域,具有重要的科学价值.     

磁斯格明子拓扑特性及其动力学微磁学模拟研究进展

具有非平庸拓扑性的新型磁结构斯格明子,由于其拓扑稳定性、尺寸小、低电流驱动等方面的显著优势,有望应用于自旋电子学储存器件.拓扑和凝聚态物理学的结合,使得斯格明子展现出很多有趣的拓扑物理现象,吸引了众多的研究兴趣,同时这些性质也是其电流驱动下动力学特点的重要影响因素.本文从斯格明子的拓扑物理学基础及其自旋电子学器件应用相关动力学两个方面介绍了相关研究进展.在拓扑物理基础方面,介绍了斯格明子的拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应以及自旋轨道转矩等拓扑性质,由此讨论了斯格明子的动力学性质及其计算方法;在动力学方面,从非均匀电流驱动生成斯格明子、电流驱动下的稳定输运、产生湮灭过程的人工控制几个赛道存储应用关心的问题简要地介绍了相关微磁学模拟研究最新进展.     

低维螺旋磁体纳米条带中磁场驱动的磁结构演变规律

利用蒙特卡洛方法研究了低维螺旋磁体纳米条带中磁场驱动的磁结构演变规律,以及偶极相互作用对螺旋磁体纳米条带中磁结构的影响.研究表明,螺旋磁体纳米条带中的自旋结构由自旋的面内取向平行或垂直于边界的边缘态和中间聚集态两部分构成.在一定范围内增加外磁场,条带边缘平行于边界的自旋排列将增多,最终将在条带外围形成大的磁涡旋环,该涡旋环十分稳定,即使在很强的外磁场下仍然存在.处于条带中间的聚集态随着外磁场的增大,从磁螺旋态逐步过渡到Skyrmions态,最终形成铁磁态.Skyrmions的排列状况与条带尺寸密切相关.此外,偶极相互作用对磁矩平行于边界且首尾顺次连接的排列起积极作用,在无外磁场作用下,随着偶极相互作用的增大,体系终将形成涡旋态.     

两粒子自旋系统量子纠缠的时间演化

研究了两个具有海森伯耦合的自旋为1/2的粒子在随时间变化的磁场中的运动情况.系统的哈密顿量具有SU（2）代数结构,运用代数动力学方法对此系统进行求解,得到了时间演化算子的严格解.基于严格解,求得两粒子体系随时间变化的波函数,从而计算得到两粒子体系的纠缠.对不同初始波函数,研究了系统纠缠随时间的变化情况.讨论了外场影响纠缠的条件. 关键词： 二粒子系统纠缠 代数动力学解法     

磁性斯格明子的多场调控研究

斯格明子(skyrmion)的概念最早是由英国的粒子物理学家Tony Skyrme提出,它被用来描述粒子的一个状态,是一种拓扑孤立子.磁性斯格明子是一种具有拓扑行为的新型磁结构,其空间尺寸为纳米量级,空间距离从纳米到微米量级可调;其存在温度涵盖从低温、室温到高温的宽温区;其材料体系不仅包括早期发现的低温区B20型中心对称破缺的铁磁体和螺旋磁有序的弱铁磁材料,也包括近期发现的室温及以上的中心对称六角结构磁性MnNiGa金属合金和磁性薄膜/多层膜体系.利用磁性斯格明子的拓扑磁结构可以实现类似于自旋阀或者磁性隧道结中的自旋转移矩效应,即外加电流可以驱动斯格明子,其临界电流密度比传统翻转磁性多层膜体系中磁矩的电流密度(一般为10~7A/cm~2)要低5个数量级,约为10~2A/cm~2,该临界值远低于硅基半导体技术中沟道电流密度的上限,在未来的磁信息技术中具有广泛的应用前景.本综述简单介绍了磁性斯格明子的发展历程,归纳总结了磁性斯格明子的材料体系,介绍了观察磁性斯格明子的实验手段,重点介绍了多场(磁场、电流、温度场)调控作用下中心对称MnNiGa合金和Pt/Co/Ta磁性多层膜体系中磁性斯格明子的产生、消失以及外场调控演变等动态行为.     

低维螺旋磁体纳米条带中磁场驱动的磁结构演变规律

利用蒙特卡洛方法研究了低维螺旋磁体纳米条带中磁场驱动的磁结构演变规律,以及偶极相互作用对螺旋磁体纳米条带中磁结构的影响。研究表明,螺旋磁体纳米条带中的自旋结构由自旋的面内取向平行或垂直于边界的边缘态和中间聚集态两部分构成。在一定范围内增加外磁场,条带边缘平行于边界的自旋排列将增多,最终将在条带外围形成大的磁涡旋环,该涡旋环十分稳定,即使在很强的外磁场下仍然存在。处于条带中间的聚集态随着外磁场的增大,从磁螺旋态逐步过渡到Skyrmions态,最终形成铁磁态。Skyrmions的排列状况与条带尺寸密切相关。此外,偶极相互作用对磁矩平行于边界且首尾顺次连接的排列起积极作用,在无外磁场作用下,随着偶极相互作用的增大,体系终将形成涡旋态。     

梯度磁场中自旋-轨道耦合旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态研究

利用准二维Gross-Pitaevskii方程,研究了在梯度磁场中具有自旋-轨道耦合的旋转两分量玻色-爱因斯坦凝聚体的基态结构.探索了自旋-轨道耦合作用和梯度磁场对基态的影响.结果发现,在梯度磁场下,随着自旋-轨道耦合强度增大,基态结构由skyrmion格子逐渐过渡为skyrmion列.对于弱自旋-轨道耦合和小旋转频率情况,增大磁场梯度强度可导致基态由平面波相转变为half-skyrmion;对于强自旋-轨道耦合和大旋转频率情况,梯度磁场可诱导hidden涡旋的产生.梯度磁场、自旋-轨道耦合和旋转作为体系的调控参数,可用于控制不同基态相间的转化.     

半无限深势阱中自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体的量子反射与干涉

玻色-爱因斯坦凝聚体与势垒或势阱的量子反射及干涉是考察宏观物质波奇特物性的最有效途径之一.利用传播子方法和基于冷原子实验广泛采用的飞行时间吸收成像方案,研究自旋相关玻色-爱因斯坦凝聚体在半无限深势阱中的反射和干涉演化动力学,得到了自旋相关的凝聚体波函数的严格解析解.结果表明,当自旋相关光晶格关闭后,非局域于不同格点中相同自旋态的物质波在自由膨胀过程中发生量子干涉,形成了对比度明显的干涉条纹.与此同时,扩张的自旋相关物质波包与半无限深势阱壁相遇发生量子反射,反射波与入射波产生二重干涉,在密度分布两边对称的局部位置出现剧烈的振荡,干涉条纹表现出显著的调制效应.分析讨论了自旋态、相干输运距离和相对相位等因素对干涉条纹的影响.该研究有助于促进对自旋相关凝聚体宏观量子特性的认识,为深入检验自旋相关光晶格中凝聚体干涉的理论模型和物理机理提供依据和新方案.     

斯格明子电子学的研究进展

在过去的半个世纪中,微电子技术一直沿着著名的摩尔定律快速发展,当前已经达到单芯片可集成上百亿晶体管.然而随着晶体管尺寸的缩小,因量子效应所产生的漏电流及其所导致的热效应使得这一定律遇到瓶颈.自旋电子技术由于引入了电子自旋这一全新的自由度,将有望大幅度降低器件功耗,突破热效应枷锁.斯格明子是一种具有拓扑保护的类粒子自旋结构,有望成为下一代自旋电子信息载体,引起了从物理到电子领域的广泛关注.由于其特殊的拓扑性质,斯格明子具备尺寸小、结构稳定、驱动阈值电流小等诸多优点,室温下斯格明子的成核、输运及探测进一步验证了其广泛的应用潜力,由此诞生了研究相关器件及应用的斯格明子电子学.本综述从电子学角度首先介绍斯格明子的基础概念及发展现状、理论及实验研究方法,重点阐述斯格明子器件的写入、调控及读取功能,介绍了一系列具有代表性的新型信息器件;最后,结合斯格明子电子学现状分析了目前所面临的发展瓶颈以及未来的应用前景.     

低维螺旋磁体纳米条带中磁场驱动的磁结构演变规律

利用蒙特卡洛方法研究了低维螺旋磁体纳米条带中磁场驱动的磁结构演变规律,以及偶极相互作用对螺旋磁体纳米条带中磁结构的影响。研究表明,螺旋磁体纳米条带中的自旋结构由自旋的面内取向平行或垂直于边界的边缘态和中间聚集态两部分构成。在一定范围内增加外磁场,条带边缘平行于边界的自旋排列将增多,最终将在条带外围形成大的磁涡旋环,该涡旋环十分稳定,即使在很强的外磁场下仍然存在。处于条带中间的聚集态随着外磁场的增大,从磁螺旋态逐步过渡到Skyrmions态,最终形成铁磁态。Skyrmions的排列状况与条带尺寸密切相关。此外,偶极相互作用对磁矩平行于边界且首尾顺次连接的排列起积极作用,在无外磁场作用下,随着偶极相互作用的增大,体系终将形成涡旋态。     

谐振子势与高斯势的联合势阱中两分量旋转玻色爱因斯坦凝聚体的基态特性和自旋纹理

研究了两分量旋转玻色爱因斯坦凝聚体在谐振子势与高斯势的联合势阱中的基态特性和自旋纹理。通过托马斯-费米近似得到每组分凝聚体在相混合态时密度分布首次形成中心洞的临界旋转角频率,并根据旋转角频率与临界旋转角频率的关系,给出了两分量凝聚体的三种不同的基态密度分布:两个都是盘、一个是盘和另一个是环、两个都是环。对于相分离的情况,针对两分量粒子数严重不平衡的凝聚体分别作托马斯费米近似,解析地给出了两分量凝聚体的两种对称基态密度分布。同时研究了凝聚体在两分量的界面处形成的两种赝自旋纹理,它们分别是巨斯格明子和同轴双环斯格明子。     

中性自旋粒子在二维中心势和均匀磁场中的量子-经典对应

通过构造自旋的经典对应物理量和系统的拉氏量,研究二维中心势场中的中性自旋粒子在磁场驱动下的经典动力学,并利用自旋相干态推导出的自旋期待值的时间演化与经典动力学方程完全一致而且波函数的几率云局域于经典轨道上,发现了有趣的量子-经典完全对应现象。     

纳米结构中磁斯格明子的原位电子全息研究

斯格明子(skyrmion)磁序结构与晶体微观结构的关联是新型功能磁材料和器件研发的重要问题.本文利用微纳加工技术制备了形状、尺寸均可控的磁纳米结构,通过电子全息术观察定量地分析了斯格明子磁序结构,确定了材料晶格缺陷和空间受限效应对斯格明子磁结构形成和稳定机制的影响,系统地分析了斯格明子基元的磁功能与材料微结构的关联.文中主要探讨了两个问题:1)斯格明子在磁纳米结构中的空间受限效应.重点研究斯格明子磁序随外磁场和温度变化的演变规律,探索其演变过程的拓扑属性和稳定性;2)晶格缺陷对斯格明子磁结构的影响,重点考察晶界原子结构手性反转对斯格明子磁序的影响.这些研究结果可为研发以磁斯格明子为基元的磁信息存储器及自旋电子学器件提供重要实验基础.     

铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应

在铁磁/非磁金属异质结中,界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用会诱导诸如磁性斯格明子等手性磁畴壁结构的形成.当巡游电子通过手性磁畴壁结构时,会获得一个贝里相位,而相应的贝里曲率则等效于一个外磁场,它将诱导额外的霍尔效应,即拓扑霍尔效应.拓扑霍尔效应是当前磁性斯格明子和自旋电子学研究领域的热点之一.本文由实空间贝里相位出发,简要介绍了拓扑霍尔效应的物理机制;然后着重讨论了铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应,包括磁性多层膜中和MnGa/重金属双层膜中的拓扑霍尔效应.这两种结构都可以通过改变材料的厚度、种类、生长方式等调控界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,从而有效地调控磁性斯格明子和拓扑霍尔效应.