通过场诱导磁化反转技术在坡莫合金亚微米点中定制Bimeron-Antibimeron结构

《Results in Surfaces and Interfaces》：Tailoring Bimeron-Antibimeron in Permalloy Submicron Dot via Field–Induced Magnetization Reversal

本文通过微磁模拟研究Py纳米dots中拓扑磁结构bimeron-antibimeron对的调控机制，发现厚度增加（2-4 nm）使结构尺寸减小23→19 nm并改变空间分离，DMI常数符号选择性稳定bimeron或antibimeron，施加外偏场（±20 mT）可增强控制。研究揭示了厚度、DMI和外场对拓扑磁结构的协同调控作用，为低功耗高密度存储器件设计提供新思路。

　　本文探讨了在Py（Permalloy）亚微米点系统中，如何通过微磁模拟技术对二元子（bimeron）和反二元子（antibimeron）的可控生成与操纵进行研究。研究主要关注了材料参数，如Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）常数、点厚度以及外部偏置磁场的变化，对二元子-反二元子对的形成、稳定性和湮灭过程的影响。通过系统地调整这些参数，研究人员能够更精细地控制这些拓扑自旋结构的特性，从而为未来的自旋电子学应用提供新的可能性。

二元子和反二元子作为拓扑自旋纹理的一种，近年来在自旋电子学领域引起了广泛关注。它们被认为是平面内磁结构的类似物，具有独特的拓扑特性，可以用于高密度、低能耗的信息存储与处理设备。与传统的磁涡旋（skyrmions）不同，二元子和反二元子主要依赖于平面内磁各向异性来实现其稳定性，而非垂直方向的DMI相互作用。这种特性使得它们在平面结构中可能比传统磁涡旋更具优势，尤其是在需要稳定性和可操控性的应用场景中。

研究团队采用微磁模拟方法，分析了不同厚度的Py亚微米点系统中二元子和反二元子对的行为。在厚度为2纳米和4纳米的点系统中，研究人员通过施加外部磁场并观察磁化反转过程，揭示了二元子-反二元子对的尺寸和空间分布随点厚度的变化规律。结果表明，当点厚度从2纳米增加到4纳米时，二元子-反二元子对的尺寸从约23纳米减少到19纳米。这种尺寸的变化可能是由于表面效应的增强，而表面效应在更薄的点系统中更加显著。此外，空间分离也随着点厚度的变化而发生改变，厚度增加时，水平距离增大，垂直距离减小。这些发现表明，点厚度是影响二元子和反二元子对稳定性和行为的重要因素，为设计具有特定自旋纹理特性的磁性材料提供了理论依据。

除了点厚度，研究人员还发现，DMI常数的调整对于二元子和反二元子的生成与稳定具有决定性作用。通过改变DMI常数的正负号，可以实现对二元子或反二元子的有选择性稳定。例如，当DMI常数为正时，系统倾向于形成具有正拓扑电荷（Q = +1）的二元子，而当DMI常数为负时，则会形成具有负拓扑电荷（Q = -1）的反二元子。这一现象说明了DMI常数在调控自旋纹理中的关键作用，并为自旋电子学器件的设计提供了新的思路。

此外，外部偏置磁场的引入也为二元子和反二元子的控制提供了额外的自由度。在磁化反转过程中，适当的偏置磁场可以进一步增强对这些拓扑自旋结构的操控能力。例如，当施加正向偏置磁场时，系统能够稳定形成二元子，而负向偏置磁场则有利于反二元子的生成。这种磁场调控机制使得研究人员能够在不同的应用场景中，根据需求灵活地调整自旋纹理的类型和行为。然而，值得注意的是，当偏置磁场的强度超过一定阈值时，二元子和反二元子的稳定性会被破坏，导致它们的湮灭。这表明，偏置磁场的强度必须被精确控制，以确保自旋纹理的形成和维持。

在实验研究中，研究人员还观察到，二元子和反二元子的形成受到磁各向异性、交换相互作用以及外部磁场的共同影响。这些参数之间的相互作用决定了自旋纹理的动态行为，包括它们的运动轨迹、响应特性以及在磁场反转过程中的演化过程。通过分析这些参数的变化，研究人员能够更深入地理解二元子和反二元子在不同条件下的行为模式，从而为优化自旋电子学器件的性能提供理论支持。

在实际应用中，二元子和反二元子的可控生成与操纵对于开发高密度、低功耗的自旋电子学设备具有重要意义。例如，在磁随机存取存储器（MRAM）和磁性隧道结（MTJ）等器件中，利用这些拓扑自旋结构作为信息载体可以显著提高存储密度和操作效率。此外，由于二元子和反二元子的尺寸较小，它们在纳米级磁性结构中的排列可以实现更高的信息密度，这对于未来的高容量存储技术具有重要价值。同时，它们的运动特性也使得它们在逻辑门和信号处理等应用中展现出潜在优势。

然而，尽管这些研究取得了重要进展，仍然存在一些挑战需要克服。例如，在室温条件下，二元子和反二元子的稳定性可能会受到热波动的影响，这限制了它们在实际应用中的可行性。此外，实验验证仍然是一个关键的环节，因为微磁模拟虽然能够提供详细的理论分析，但实际材料的性能可能会受到其他因素的影响，如杂质、界面效应和微观结构的不均匀性。因此，未来的研究需要在实验层面进一步验证这些模拟结果，并探索如何在实际材料中实现更稳定的自旋纹理行为。

总的来说，本文的研究成果为自旋电子学领域提供了重要的理论基础和实验指导。通过系统地研究材料参数和外部刺激对二元子和反二元子对的影响，研究人员不仅揭示了这些拓扑自旋结构的形成机制，还展示了如何通过调整参数实现对它们的精确控制。这些发现对于推动自旋电子学技术的发展，特别是在高密度存储、低功耗逻辑器件和新型计算架构方面，具有深远的意义。未来的研究可以进一步探索这些自旋结构在不同材料体系中的表现，以及如何通过更先进的工程技术实现它们的稳定性和可操控性，从而推动自旋电子学在实际应用中的落地。