光诱导单轴应变驱动的多步斯格明子相变及其在自旋电子器件中的应用

针对传统应变调控幅度不足(<0.5%)和单轴应变对斯格明子(DMI)各向异性影响机制不明的问题，研究人员通过构建[Pt/Co/Ta]12/偶氮苯(AZO)液晶异质结，首次实现1%光致单轴应变下斯格明子多步相变调控。发现应变<0.6%时条纹畴转变为圆形斯格明子(CSK)，>0.6%时呈现负泊松效应(NPE)的40%形变，最终逆转为条纹畴。该研究为低功耗多态自旋电子器件提供了新策略。

　　

在探索下一代信息存储技术的浪潮中，磁性斯格明子(skyrmion)因其纳米级尺寸和非易失性特点备受瞩目。这种由Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)和磁各向异性共同稳定的拓扑磁结构，理论上可实现超高密度数据存储。然而现有技术面临两大瓶颈：传统压电基板仅能产生不足0.5%的双轴应变，且电流驱动方式伴随严重焦耳热效应。更关键的是，单轴应变对DMI各向异性调制的物理机制尚不明确，制约着应变工程在自旋电子器件中的应用突破。

针对这些挑战，中国科学院物理研究所团队创新性地将[Pt/Co/Ta]₁₂多层膜与偶氮苯(AZO)液晶薄膜结合，在《SCIENCE ADVANCES》发表重要研究成果。通过设计可产生1%单轴应变的光响应异质结，首次观察到应变驱动的多步斯格明子相变：当紫外光诱导的应变平行于条纹畴方向时，0.6%阈值应变使条纹畴转变为圆形斯格明子；继续增加至0.8%应变时，斯格明子竟反常地沿垂直应变方向伸长40%，呈现显著负泊松效应；最终在1%应变下逆转为条纹畴。这种"圆形→椭圆→条纹"的可逆相变，为多态存储器件设计提供了全新思路。

研究采用磁控溅射制备[Pt/Co/Ta]₁₂/Ta(20nm)/AZO异质结，通过扫描透射电镜(STEM)确认界面结构。利用自制原位磁力显微镜(MFM)系统，结合紫外/绿光交替照射实现应变精确调控。采用微磁模拟软件MuMax3，基于实验测得的应变依赖型DMI常数和有效磁各向异性(K_eff)进行仿真验证。

【Fabrication of the heterostructure】部分显示，通过精确控制AZO液晶中S-811手性掺杂剂浓度，获得50μm四分之一螺距的聚合物薄膜。STEM证实[Pt/Co/Ta]₁₂多层膜具有清晰的界面结构，高分辨成像显示Pt(绿色原子)/Co(黄色原子)/Ta(蓝色原子)呈现立方晶系(110)面排列。

【Controllable manipulation of skyrmions】章节揭示，当μ₀H=95mT时，0.6%应变使临界成核场从130mT降至80mT。通过椭圆扁率公式f=1-b/a定量分析，发现0.8%应变下形变达40%，远超晶格应变两个数量级。值得注意的是，这种形变具有非易失性，移除光照后仍可保持。

【DISCUSSION】部分通过建立σ=4√(AK_eff)-π|D|模型，阐明各向异性DMI是相变主因。当应变沿x轴时，D_x和D_y呈现不同斜率变化(γ_y>γ_x)，导致DMI各向异性(D_x≠D_y)。微磁模拟证实，仅考虑DMI变化时，仿真结果与实验观测的负泊松效应高度吻合；而仅改变磁各向异性时，斯格明子反而沿应变方向伸长，呈现正泊松效应。

这项研究开创性地将柔性光响应材料与拓扑磁结构结合，不仅揭示了单轴应变对DMI各向异性的调控规律，更实现了光控非易失性斯格明子相变。其重要意义在于：①突破传统压电材料应变极限(0.5%→1%)；②发现应变阈值依赖的多步相变机制；③阐明负泊松效应的物理本源为DMI各向异性调制；④为开发光-磁耦合的智能感知存储器提供新范式。这种"光控应变-磁弹性耦合-DMI调制"的创新研究思路，或将推动拓扑磁结构在仿生视觉芯片和神经形态计算等领域的应用突破。