合成反铁磁多层膜中混合手性斯格明子管的非互易斯格明子霍尔效应观测及其动态调控机制研究

为解决三维拓扑自旋结构在电流驱动下的动态行为机制问题，研究人员开展合成反铁磁（SyAFM）多层膜中混合手性斯格明子管（hybrid chiral skyrmion tube）的非互易输运特性研究。发现SyAFM体系在流动态区域呈现显著的非互易斯格明子霍尔效应（NSkHE），且该效应可通过磁补偿度调控。该研究揭示了斯格明子螺旋度动态振荡的核心机制，为基于三维拓扑自旋纹理的非传统电子技术提供了关键理论基础。

　　

在自旋电子学领域，拓扑自旋结构尤其是磁斯格明子（skyrmion）因其独特的物理特性和在信息存储、逻辑计算中的潜在应用而备受关注。然而，当前研究多集中于二维斯格明子体系，其动力学行为完全互易，缺乏方向性调控能力，限制了其在非互易器件（如二极管、整流器）中的应用。三维拓扑自旋结构如斯格明子管（skyrmion tube）虽具有更丰富的物理内涵，但其复杂动力学行为特别是非互易输运特性尚未得到充分探索。混合手性斯格明子管（hybrid chiral skyrmion tube）作为典型三维结构，其手性沿厚度方向从左旋奈尔型（Néel-type）经布洛赫型（Bloch-type）过渡至右旋奈尔型，这种特殊构型可能带来前所未有的动力学特性，但相关实验证据一直缺失。

为此，由Takaaki Dohi、Mona Bhukta等国际研究团队在《Nature Communications》发表了最新研究成果，通过实验观测和理论模拟揭示了合成反铁磁（synthetic antiferromagnetic, SyAFM）多层膜中混合手性斯格明子管的非互易斯格明子霍尔效应（non-reciprocal skyrmion Hall effect, NSkHE），并证明该效应可通过磁补偿度进行调控。研究不仅首次实现了对三维斯格明子管非互易运动的实验验证，还通过微磁模拟发现其物理根源在于电流驱动过程中斯格明子螺旋度（helicity）的动态振荡，为开发基于三维拓扑自旋纹理的新型自旋电子器件提供了重要途径。

研究采用的关键技术方法包括：采用磁控溅射制备SyAFM多层膜（Ta/[Pt/Ir/FM_B/Pt/Ir/FM_T]×15-25/Pt结构），通过超导量子干涉磁强计（SQUID）测定磁补偿比；利用扫描透射X射线显微镜（STXM）进行元素特异性磁畴成像（Fe L₃-edge和Co L₃-edge），验证层间反铁磁耦合；结合电流脉冲驱动（脉宽5-15 ns）和Python TrackPy模块追踪斯格明子轨迹；通过自旋扭矩铁磁共振（ST-FMR）测量阻尼常数和自旋霍尔角；基于MuMax3软件开展微磁模拟，参数源自实验测量值。

Experimental setup and magnetic properties

研究设计了两种不同磁补偿度（m_C≈50%和80%）的SyAFM多层膜体系（ST1和ST2）。STXM元素特异性成像直接证实了全堆栈中反铁磁耦合斯格明子管的存在，且其耦合在电流脉冲激发前后保持稳定。通过施加垂直磁场将斯格明子尺寸调整至固定直径（约100 nm），为后续动力学研究提供统一条件。

Current-induced dynamics of SyAFM skyrmion tubes

电流驱动实验表明，斯格明子管沿技术电流方向运动，自旋轨道扭矩（spin-orbit torque, SOT）是主要驱动机制。较高磁补偿度样品（ST2）中斯格明子运动效率更高，但平均速度（v_ave）在正负电流脉冲间无显著差异。斯格明子呈现明确对角运动，表明存在有限斯格明子霍尔效应。

Non-reciprocity in the skyrmion Hall effect for the low-compensation SyAFM skyrmion tubes

关键发现出现在低补偿样品（ST1）的流动态区域（v_ave=25 m·s^-1）：斯格明子霍尔角（θ_ave）在正负电流间出现显著非互易性，而蠕变/脱钉扎区域（v_ave=10 m·s^-1）仍保持互易行为。高补偿样品（ST2）则未观察到明显NSkHE，证明长程偶极相互作用是调控非互易性的关键因素。

Micromagnetic simulations and discussion

微磁模拟再现了实验现象：在区域1（v=11 m·s^-1）斯格明子霍尔角互易，而区域2（v=34 m·s^-1）出现显著非互易性。通过计算耗散张量（D_μγ）和SOT效率张量（I_μγ）发现，形状畸变并非非互易性主因。关键机制在于高速运动时斯格明子螺旋度发生动态振荡：奈尔型层向布洛赫型转变，导致正负电流下的SOT效率产生不对称性，从而引发NSkHE。这种螺旋度振荡在低补偿样品中更为显著，与实验观测高度一致。

研究结论强调，磁补偿度通过调控SyAFM体系中的偶极相互作用和层间交换耦合，直接影响混合手性斯格明子管的内部自由度（螺旋度分布），从而使其在电流驱动下表现出可调的非互易动力学行为。该发现突破了传统二维斯格明子体系的互易限制，揭示了三维拓扑自旋纹理在实现本征非互易器件方面的独特优势。讨论部分进一步指出，这种基于内部自由度的调控机制无需外禀对称性破缺（如不对称交换偏置），为开发简化器件结构提供了新思路，在非传统计算、能量收集和自旋电子二极管等领域具有广阔应用前景。