反铁磁斯格明子相互作用的时间分辨成像

《Nature Physics》：Time-resolved imaging of antiferromagnetic skyrmion interactions

　　

量化粒子相互作用对于理解和控制基于粒子的器件（如包含斯格明子系综的器件）中的集体动力学至关重要。研究人员在实时状态下直接可视化了反铁磁斯格明子晶格的纳秒级电流驱动动力学。通过调节自旋轨道力矩相对于局部钉扎的强度，研究人员识别出两种状态：非相干流动状态，即可移动斯格明子被驱向被钉扎的邻近斯格明子，经历压缩随后发生反冲；以及相干流动状态，即晶格均匀平移。研究人员使用基于Thiele方程的逆分析方法提取了呈指数衰减的反铁磁斯格明子相互作用势，该结果与模拟结果一致。在更高电流密度下，晶格表现出相干运动，且没有可检测到的霍尔效应、惯性效应或动态变形，从而实现了稳健的超快运行。这些发现为反铁磁斯格明子相互作用建立了定量框架，并证明了对其集体动力学的确定性控制（即使在非相干流动状态下），从而为多斯格明子自旋电子器件提供了潜在应用。

在追求超越互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的背景下，自旋电子器件因其非易失性、高能效和可扩展性而备受关注。在各种被提出的信息载体中，斯格明子作为一种具有拓扑非平庸自旋结构的候选者，因其尺寸可达纳米级、拓扑增强的稳定性以及易于通过电流操控而脱颖而出。尽管铁磁体（FM）中的斯格明子在赛道存储器、逻辑门等应用中取得了突破，但其实际应用受到杂散场、有限的热稳定性以及内禀斯格明子霍尔效应（SkHE）的阻碍。在此背景下，反铁磁（AFM）斯格明子因其净拓扑荷消失从而抑制了SkHE，并展现出对外部刺激的超快响应而成为极具吸引力的候选者。在人工合成反铁磁体中，两个铁磁层通过非磁性间隔层反铁磁耦合，角动量补偿消除了回转力，使得驱动的速度可接近1 km s^-1，且杂散场的抑制有利于器件的小型化。

然而，实现确定性动力学一直是基于斯格明子器件开发的关键挑战，此前主要在无显著相互作用的单铁密斯格明子中得到证明。随着多斯格明子动力学的应用范围扩大，必须在密集的斯格明子晶格系综中实现确定性动力学，其中斯格明子之间的相互作用和散射是关键设计参数，它们驱动的瞬态变形和弛豫决定了集体动力学。对于实现器件功能而言，对这些固有瞬态过程的定量知识至关重要，但传统准静态成像技术无法捕捉这些在纳秒时间尺度上展开的过程。为了应对这些挑战，研究人员开展了此项研究，旨在揭示AFM系统中斯格明子的散射、相互作用、晶格稳定性及动态响应。该研究成果发表在《Nature Physics》上，为AFM斯格明子相互作用建立了定量框架，并证明了对其集体动力学的确定性控制，为可扩展的高速自旋电子器件铺平了道路。

研究人员主要采用了泵浦-探测X射线显微成像技术，利用其高时空分辨率（20 nm空间和1 ns时间分辨率）来解析SyAFM中相互作用的AFM斯格明子晶格的实空间轨迹和动态行为。样本来源于通过磁控溅射系统制备并优化以实现低钉扎效应的SyAFM多层堆叠薄膜，并在此基础上加工了微米级磁性带状器件用于施加电脉冲。

AFM斯格明子晶格的泵浦-探测X射线显微成像
为了研究斯格明子之间的相互作用及AFM斯格明子晶格对自旋力矩的瞬态响应，研究人员制备并优化了由两个交替的铁磁亚晶格（A和B）组成的低钉扎SyAFM堆叠。通过精确调控亚晶格的厚度和成分，实现了完全的磁化补偿。元素特异性磁对比允许对每个亚晶格进行动态可视化，通过在Fe L₃和Co L₃吸收边进行的扫描透射X射线显微成像（STXM）观察到的反转磁对比，证实了多层膜中稳健的AFM层间交换耦合。

非相干斯格明子晶格动力学的实时成像
当施加的电流产生的SOT与局部钉扎势相当时，系统进入非相干状态。由于钉扎强度的空间变化，晶格响应表现出空间异质性：部分斯格明子保持钉扎，部分平滑移动，还有一些发生明显变形。根据电流激发过程中的位移，斯格明子被分为四类：不动的（I类）、可移动的（M类）以及位于两侧边界并表现出不对称变形和反冲的（L类和R类）。在电流脉冲终止后，外部驱动力消失，由于斯格明子之间的排斥和钉扎环境，可移动斯格明子从被钉扎的邻近斯格明子处发生反冲，表现出与先前运动方向相反的指数级减速，特征时间尺度在3到20 ns之间。

从斯格明子动力学中定量提取斯格明子-斯格明子相互作用势
L和R类斯格明子位于可移动和被钉扎区域之间的边界，被钉扎的I类斯格明子作为参考散射中心。研究人员追踪了脉冲后L和R类斯格明子的反冲轨迹，并使用基于Thiele方程的逆估计方法。在完全补偿的SyAFM中，回转项贡献消失且远程偶极相互作用被显著抑制，动力学简化为耗散拖曳和斯格明子-斯格明子力之间的纵向平衡。分析表明排斥相互作用呈径向对称的指数衰减形式，并成功提取了相互作用的特征长度和强度参数。得到实验估计的指数衰减排斥相互作用势与微磁模拟结果非常吻合，表明这种在自旋织构有限空间范围内主导的短程快速衰减排斥已经在固有的长度和时间尺度上被探测到。

相干粘性流动状态以及斯格明子霍尔效应和惯性效应的缺失
在更高的电流密度下，所有斯格明子均能克服局部钉扎势，系统转变为相干粘性流动状态。在这种状态下，晶格作为一个刚体进行均匀平移，斯格明子保持固定的相对位置并同步移动。时间分辨成像揭示了在交替电流脉冲下，斯格明子运动轨迹高度对称且可重合。纵向位移随电流极性反转，而横向位移始终保持在零附近，直接证明了斯格明子霍尔效应的抑制，这是由于SyAFM中两个亚晶格中相反的马格努斯力相互抵消。速度分布与双极性激励同步且无延迟，证实了惯性效应可忽略。此外，速度的纵向分量随电流密度线性变化，而横向分量始终在零附近波动。提取的斯格明子霍尔角在实验误差范围内与零一致，验证了在完全补偿的AFM斯格明子晶格中净拓扑荷消失导致SkHE被完全抑制。

总结讨论
通过探测从钉扎状态到粘性流动状态以及此前未被探索的非相干动力学状态，研究人员揭示了SyAFM中AFM斯格明子晶格的完整时空动力学，揭示了支配其集体行为的关键机制。在低驱动电流下，被钉扎的斯格明子作为散射中心，脉冲终止后的排斥相互作用产生反冲，借此采样并定量提取了呈指数衰减的斯格明子-斯格明子相互作用势，且与微磁模拟结果高度一致。在高驱动电流下，系统进入粘性流动状态，表现出无横向漂移和无惯性滞后的纯纵向相干运动。AFM斯格明子动力学不仅展现了高速运动，还表现出极小的惯性和无变形，满足了超快运行的标准，能够在超高密度信息和逻辑器件中实现稳健的吉赫兹级操作。该研究证明了AFM斯格明子能够克服铁磁体对应物的关键限制，为构建低功耗、稳健且可扩展的AFM自旋电子器件奠定了定量基础。