磁性斯格明子-涡旋复合拓扑态(n-Skyrmion Vortex)的发现与调控机制研究

本研究通过微磁模拟揭示了Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)与磁偶极相互作用的竞争可稳定新型复合拓扑态——n-斯格明子涡旋(n-Skyrmion Vortex)，其拓扑电荷Qtotal=Qvortex+nQskyrmion，突破了传统涡旋与斯格明子的独立存在形式，为多态磁存储器件设计提供了新思路。

　　

在纳米磁性材料领域，磁性涡旋(vortex)和斯格明子(skyrmion)作为两类重要的拓扑自旋织构，长期被认为具有互斥的稳定机制。涡旋结构源于交换相互作用与偶极相互作用的平衡，其核心极化(polarity)与手性(chirality)可独立调控；而斯格明子则需依赖Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)维持，且手性与极化存在固有锁定关系。这种本质差异限制了它们在多态存储中的协同应用。

中国国家自然科学基金资助项目(12374098)支持下，研究人员通过系统微磁模拟首次发现：在特定参数空间内，DMI强度与几何限域效应可协同诱导产生全新的复合拓扑态——n-斯格明子涡旋(n-Skyrmion Vortex)。这种混合态不仅保留了涡旋独立调控手性(CW/CCW)与核心极化(Up/Down)的特性，还通过嵌入n个斯格明子实现了拓扑电荷的量子化调控，其定量关系符合Q_total=0.5+n×1的独特规律。

研究采用微磁模拟技术，建立包含交换作用、DMI、单轴各向异性(K)、偶极相互作用及塞曼能的全能量模型。通过有限差分法求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程，系统扫描DMI常数(D)、外场(H)和样品半径(R)等参数空间，结合拓扑电荷Q=1/4π∫m·(?m/?x×?m/?y)dxdy计算验证态的分类。

【模型和模拟】

构建圆形薄膜体系的总能量方程：E=∫[A(?m)²-Km_z²+E_ze+E_dmi+E_d]dV，其中m=M/M_s为归一化磁化矢量。通过调控界面DMI强度与磁各向异性比值(D/K^1/2)，首次实现涡旋背景中稳定嵌入1-3个斯格明子的混合态。

【结果与讨论】

发现复合态具有分数量子化拓扑电荷，当n=1时Q=1.5，突破传统斯格明子Q=±1的限制。相图分析表明：中等DMI强度(0.5^1/2<1.2)与特定半径范围(50-150nm)是稳定n-Skyrmion Vortex的关键参数窗口。磁动力学模拟显示，该混合态在10GHz微波场下仍保持结构稳定性。

【结论】

该研究突破性地证明：通过精确调控竞争性相互作用，可实现传统认为互斥的拓扑态共存。n-Skyrmion Vortex兼具涡旋的多态调控性与斯格明子的拓扑保护特性，其分数量子化电荷为高密度磁存储提供新自由度。该发现被发表于《Journal of Magnetic Resonance Open》，为开发基于拓扑混合态的自旋电子器件奠定理论基础。