磁性斯格明子（Magnetic Skyrmion）是一种具有手性自旋的纳米磁畴结构，它具有拓扑稳定性高、驱动电流密度低，以及可用磁、电场和温度等多物理场调控的特性，是未来高密度、高速度、低能耗信息存储器件的核心存储单元。根据拓扑磁结构的产生机制，磁性斯格明子可以分成非中心对称结构诱导的DMI（Dzyaloshinskii–Moriya Interaction）磁性斯格明子和偶极相互作用与各向异性共同诱导的DDI（Dipolar-Dipolar Interaction）磁性斯格明子，后者也包括传统的“磁泡”（Magnetic Bubble）。全球物理科学研究网/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料和结构分析实验室A01课题组姚湲副研究员和怀柔研究部HM03课题组原成员王文洪研究员、丁贝博士利用洛伦兹电镜（LTEM）对中心对称的六角MnNiGa合金中的DDI斯格明子进行了长期地研究。通过对“强度传输方程（Transport of Intensity Equation，TIE）”的细致分析发现，LTEM图像处理中对该方程的不当使用会导致处理后的图像中出现反常的涡旋磁结构假象【Artifacts in magnetic spirals retrieved by transport of intensity equation(TIE)，JMMM, 454: 304–313(2018)】。进一步通过实验和模拟证实MnNiGa合金中的“双斯格明子(Biskyrmion)”结构可能是Type II磁泡（Hard Bubble）【Magnetic hard nanobubble: A possible magnetization structure behind the biskyrmion，APL，114: 102404 (2019)】。即便避免了图像处理中的错误，由于LTEM观察的是磁结构的二维投影，依据图像只能判断观察平面内的磁矩分量取向，无法判断面外分量的取向，难以判定斯格明子的真实手性，更不能了解沿电子束方向的磁矩空间分布的真实情况。
为了研究斯格明子的真实磁结构，研究团体在LTEM中采集了两组不同转轴下的系列倾转图像，利用矢量三维重建算法，成功得到了MnNiGa合金中的磁性斯格明子的实空间磁场分布图（图1）。对三维磁构型的分析发现，除了内部的涡旋磁结构以外，磁泡的磁矩在样品的上下表面呈现出汇聚或发散的结构。微磁模拟揭示出这种取向的变化来自于样品表面的退磁场效应。对斯格明子晶格的统计分析表明，样品中观察到的每个DDI斯格明子的中心磁矩取向（极性p）都是一致的，但是磁矩面内分量涡旋方向是随机的，即DDI斯格明子晶格是由左右手性随机但是极性统一的各类磁泡构成（图2）。同时，实验中还发现在环境影响下，DDI斯格明子的手性极易发生改变，但是极性始终保持不变。这一特性反应了DDI斯格明子的手性和极性之间的本征脱耦效应。这种脱耦效应表明DDI斯格明子更便于手性调控，有利于制备实用化的存储器件（图3）。相关研究内容在《Nature Communications》杂志以“Chirality flips of skyrmion bubbles”为题发表。（本研究得到了张颖研究员的大力协助，并得到了基金委No. 11874410、No.12274321，科技部No. 2021YFB3501402以及院先导项目No. XDB33000000的资助。）
文献链接及相关三维动画https://www.nature.com/articles/s41467-022-33700-3
图1 （a）LTEM三维重构的原理。（b）DDI斯格明子的三维磁场分布状态。颜色代表面x-y面内磁矩分量的旋转角度，箭头表示三个剖面上面内磁矩分量的取向。
图2 13个DDI斯格明子的极性和手性统计。D：发散的磁矩，C：会聚的磁矩，CCW：逆时针旋转的磁矩，CW：顺时针旋转的磁矩，p：中心磁矩极性朝上，R：右手性，L：左手性。
图3 在不改变极性的情况下，利用电子束可以直接操控斯格明子手性，从而利用STT效应完成信息的存储。