发布时间: 2026-08-21 / 点击数:
北航新闻网8月21日电（通讯员 王琳）磁性斯格明子是由自旋构成的纳米尺度涡旋结构，可视为具有拓扑保护的磁性“粒子”，因其稳定性与可电流/磁场操控特性，被认为是新一代低功耗自旋信息器件的重要候选。当大量斯格明子相互作用时，可以形成有序排列的晶格结构，并展现出熔化与再结晶等集体行为。在晶体材料中，“退火”是另一种经典的热激活过程：通过加热使原子获得能量跨越势垒并发生迁移，从而逐步消除缺陷，使体系趋于更有序、更稳定的状态。这一“跨越能垒、寻找低能构型”的思想也被广泛用于优化计算，经典模拟退火以及量子计算中的量子退火，均可从复杂能量景观中寻找低能解。将这一概念推广到磁性拓扑准粒子体系，一个自然的问题是斯格明子晶格是否也存在类似的“退火”过程？然而，在斯格明子体系中，热涨落驱动的退火受限于高动力学势垒，而能够通过外场有效驱动集体重排的材料也同样稀缺，外场驱动的斯格明子退火在实验上至今未能实现。
北京航空航天大学物理学院杜轶团队近年来围绕二维范德华磁体Fe3GaTe2（FGaT）开展系统研究，前期已实现室温斯格明子的稳定调控，为进一步探索其集体动力学行为奠定了基础（Nano Lett. 24, 11246–11254 (2024)）。近日，杜轶团队与合作者在《Nature Communications》发表题为“Annealing of skyrmion lattice in van der Waals magnet via field modulation”的研究论文（Nature Communications 17, 7498 (2026)），实现了斯格明子晶格的外场驱动退火。研究发现，周期性振荡磁场和双极性电流脉冲可分别驱动无序斯格明子形成多晶态和取向一致的六角相（Hexatic）。尽管驱动方式和最终构型不同，两种过程却呈现出相似的缺陷介导结晶动力学，表明其退火行为主要由斯格明子间相互作用所决定。该研究揭示了斯格明子从无序到有序的集体退火机制，为拓扑自旋纹理的集体调控提供了新的物理图像。
斯格明子排列状态。（a）初始无序态（b）多晶态（c）六角相
该工作采用约 300 nm 厚的高质量机械剥离FGaT薄片，在 40 mT 的面外磁场下场冷得到无序斯格明子，并采用国产原子力显微镜，通过磁力显微模式（MFM）对斯格明子结构进行高分辨成像。随后，结合团队自主搭建的原位磁场与电流脉冲调控装置，对斯格明子分别施加周期性的振荡磁场和双极性电流脉冲，原位观察斯格明子排列的演化，并通过最近邻数目、局域取向、关联函数等方法开展分析。实验发现，反复循环后体系演生出两类不同的有序态：H 循环下，斯格明子形成多个具有不同取向的有序区域，缺陷集中分布于畴界，对应多晶态；J 循环下虽也出现六配位区域，但 5–7 缺陷分散其中、破坏长程平移序，同时晶格取向近乎一致并与电流方向对齐，从而保留长程取向关联，构成取向均一的六角相。两类构型在室温零场下均稳定存在，并能抵抗小幅磁场扰动。
斯格明子晶格在震荡磁场和双向脉冲电流驱动中的有序化过程
尽管结果不同，两个过程中都观察到了缺陷的湮灭和晶粒的产生与扩张，且缺陷密度随时间演化的趋势几乎相同，可以由Pareto 累积分布函数很好地描述。这是多势垒非平衡弛豫的特征，表明外场仅调控了动力学速率，而没有改变斯格明子体系的基本能量图景，与退火过程一致。J 循环中，FFT图案揭示了单轴应变的存在和取向选择性，多数位错的滑移矢量方向与电流方向对齐，位错滑移释放应变使得与电流方向一致的晶粒能够以更低的能量代价生长。J 循环的取向关联长度在晶粒形成后快速增长，支持位错滑移导致取向选择性的图像。在机理层面，磁场和电流通过各自的方式激活了斯格明子畴壁的运动，使其克服局域势垒而产生迁移和重排，而拉伸应变由斯格明子在电流下的伸长效应累积而来。
斯格明子相互作用的统计分析与模拟结果
将斯格明子简化为具有排斥相互作用的点粒子开展蒙特卡洛模拟，模拟的等温退火过程再现了实验观察到的缺陷演化和晶粒粗化行为。这确认了外场的主要作用是激活了粒子体系的“热运动“，而不是直接驱动了结构的重排。模拟还表明，斯格明子间相互作用会改变缺陷密度演化的趋势，决定了晶格演化过程中的缺陷能垒，是影响退火过程的本征因素。该退火过程本质上是斯格明子的集体行为，不依赖于局域操控。这一图像将斯格明子的退火过程与胶体、原子系统中受驱动的相转变过程统一起来，为操控斯格明子的集体行为、理解二维粒子体系的相变过程提供了有意义的视角和平台，对构建基于斯格明子的可重构自旋电子器件也具有重要启示。 值得注意的是，这种由外场激活体系跨越局域能垒、在复杂能量景观中逐步趋向低能构型的过程，与退火优化算法具有相通的物理思想。量子退火计算同样以复杂能量景观中的低能态搜索为核心，因此，本工作所揭示的斯格明子集体退火行为，也为进一步探索基于拓扑自旋纹理的物理退火与类退火计算提供了新的材料平台和物理启示。与此同时，本研究中的关键斯格明子磁畴成像采用国产原子力显微设备完成，并结合团队自主搭建的原位磁场/电流脉冲调控系统，实现了从微观成像到外场调控的实验闭环，体现了国产科研仪器在前沿量子材料研究中的应用能力。
北航物理学院博士生张靖伟、石含清和北京化工大学奚忆莲副教授为共同第一作者，北航物理学院杜轶教授、物理学院冯海凤副教授、自动化科学与电气工程学院石岩教授为共同通讯作者。合作单位还包括北京化工大学、上海科技大学、武汉大学。该研究工作得到了北京高聚领军人才计划、北京市科技计划项目、国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费专项资金等的支持。
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