通过拓扑表征实现斯格明子位错的自钉扎与自攀移：可变形准粒子的晶格力学

《ACTA MATERIALIA》：Self-pinning and Self-climbing of Skyrmion Dislocations through Topological Characterization: Lattice Mechanics of Deformable Quasiparticles

　　

摘要

斯格明子（Skyrmions）是铁磁体中涌现的准粒子，具有拓扑可区分的独特动力学特性、稳定性和可变形性。它们自组装成斯格明子晶格，其集体行为对于基础理论理解和自旋电子学应用都至关重要。然而，与原子晶体不同，斯格明子晶格中的晶格力学——其中晶格缺陷动力学调控宏观变形——仍然难以捉摸。在本研究中，我们揭示了斯格明子晶格中 unconventional 的缺陷动力学行为，包括位错的自钉扎和自攀移，伴随较大的斯格明子变形，以及从单个斯格明子到半斯格明子的拓扑保护转变。我们的相场模拟表明，外场依赖的斯格明子可变形性从根本上改变了晶格缺陷行为，从传统的类原子位错滑移转变为拓扑准粒子所独有的现象。这些行为通过拓扑表征被成功揭示，并可通过应变分析加以描述。本研究不仅为基于斯格明子的器件自旋电子工程提供了关键洞见，还为"准粒子晶格力学"这一新力学分支奠定了基础。

引言

磁性斯格明子是纳米尺度的准粒子，具有涡旋状自旋纹理[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]]，因其源于几何结构而产生的拓扑稳定性以及涌现电磁场而备受关注[2]。拓扑保护赋予斯格明子准粒子特性，使单个斯格明子在发生形变的同时仍能保持其粒子身份。此外，相关的涌现电磁场使得斯格明子能够在极小电流下通过拓扑霍尔效应和斯格明子霍尔效应实现高速运动[2,8,9]。这些结构稳健性和动态特性激发了基于斯格明子的纳米器件提案，如赛道存储器[10,11]、逻辑器件[12]和神经形态计算突触[13,14]。

斯格明子根据温度和磁场条件自组装成有序排列，形成斯格明子晶格[3,15]。表征斯格明子晶格性质是关键的科研优先事项，近期研究已取得重要进展[[16], [17], [18], [19], [20]]。重要发现包括斯格明子晶格淬火现象[16,21]和三角-方形晶格相变[21]，这些现象类似于由真实粒子构成的二维材料。此外，准粒子晶格特有的特性也开始显现，包括在宿主材料施加应变加载时，单个斯格明子和斯格明子晶格发生更大变形的情形[22]。据报道，降低温度会引起单个斯格明子的显著变形，同时保持拓扑保护，这是传统晶体中不具备的特征[23]。斯格明子的这些集体特性提供了工程应用机会，例如利用集体斯格明子变形和运动期间结构稳定性所赋予的短期记忆特性和非线性电磁响应来实现节能的人工智能器件[24]。因此，阐明斯格明子晶格性质和动力学作为斯格明子的集体行为，对于基础研究和工程应用都至关重要。

已有几项实验研究致力于阐明斯格明子的晶格特性，并报道了晶格缺陷的存在，如空位[16]、位错[17,22,25]和晶界[18,26,27]，与传统晶体材料中的缺陷类似。在传统晶体材料中，晶格缺陷通过位错介导的塑性变形等机制控制力学性能。从晶格力学的角度看，斯格明子晶格缺陷预计会对整体晶格动力学产生强烈影响。实验证据已确立这些缺陷介导了斯格明子晶格的多种动态现象，包括通过位错滑移实现取向旋转[26,28]、伴随大量位错产生的从晶格相到液相的二级相变[29,30]，以及通过晶界迁移实现晶粒旋转[26]。这些现象表明，要全面理解斯格明子晶格动力学，不仅需要理解外场（如磁场和温度）对斯格明子的直接驱动，还需要理解源于离散准粒子相互作用的晶格缺陷动力学。尽管斯格明子晶格缺陷——特别是位错——在控制晶格行为中起着至关重要的作用，但位错动力学的直接观测仍然难以实现[31,32]。

此外，斯格明子晶格缺陷表现出与斯格明子粒子变形相关的独特结构特征。例如，空位周围的斯格明子会发生形变以填补空缺位置[33]，而斯格明子位错则表现出局部斯格明子的拉伸和压缩[17,22]。此类变形可能导致与传统晶格行为根本不同的新缺陷动力学。此外，斯格明子变形本身在控制斯格明子动力学和相关物理性质方面起着关键作用，近年来作为基于斯格明子的器件的潜在控制参数备受关注[34]。然而，实验上同时分辨斯格明子变形及其动力学的局限性阻碍了这些行为的直接观测。此外，大多数现有的斯格明子晶格模拟依赖于粒子基近似，忽略了斯格明子的可变形性[26,35]。因此，尽管涉及斯格明子变形的缺陷动力学对晶格行为有显著影响，但至今仍未被探索。

在本研究中，我们展示了伴随大斯格明子变形的准粒子特有位错动力学，包括自钉扎和自攀移。以MnSi薄膜作为手性磁体斯格明子晶格的模型系统，通过相场模拟揭示了在剪切应变加载下斯格明子晶格的晶格动力学和单个斯格明子的形态变化。此外，通过系统地改变温度和磁场，我们揭示了斯格明子可变形性的变化如何控制位错运动。我们的应变分析和拓扑表征进一步阐明了准粒子斯格明子晶格特有的新位错行为及其机制，这些在传统晶格系统中没有对应物。

各节摘要

方法

本研究的目标是在剪切应变加载下的单个斯格明子位错和晶格。斯格明子和斯格明子晶格受多种外场驱动，如磁场梯度、温度梯度、电流以及施加在宿主材料上的机械载荷。另一方面，斯格明子表现为相互作用的准粒子，可以通过这些相互作用传递力。类似于晶体中原子之间的相互作用和机械力传递

剪切应变加载下的斯格明子位错滑移运动

斯格明子动力学在标准条件下（$T=22.5$ K, $H=2.0\times {10}^5$ A/m）进行模拟，该条件远离相边界以维持斯格明子稳定性。图2(a-d)和补充电影1展示了位错结构的演变过程。此后，未加载状态下七重和五重斯格明子分别被指定为Sk1和Sk2，而它们在$+x_1$方向上的相邻斯格明子分别称为Sk4和Sk3。在未加载状态下，位错结构表现出伸长

讨论

在可变形性增强的条件下，某些斯格明子经历了拓扑保护转变，偏离了传统晶格力学行为。它们不仅仅是变形的单个粒子，而是经历了拓扑分叉的半斯格明子对。然而，当前的晶格分析方法将单个斯格明子的质心投影为单个晶格点，无法捕捉这种拓扑重组。在此，我们提出以下方法作为一种新的

结论

综上所述，本研究通过相场模拟在不同温度和磁场条件下考察剪切加载下的位错动力学，阐明了由位错介导的斯格明子晶格行为以及斯格明子可变形性对此类行为的影响。斯格明子位错行为对可变形性条件表现出强烈依赖。在最小可变形性下，位错通过斯格明子平移位移发生滑移运动，类似于

作者贡献

T. K.和K.K.对本工作贡献相同。T. K.进行了相场模拟，分析了数据并撰写了论文。K.K.和S.M.对论文提供了关键反馈。F. T.进行了额外计算。T. S.构思了项目并监督了工作。所有作者都参与了总体讨论并对论文进行了评述。

生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的声明

在本研究的撰写过程中，作者使用了Claude工具进行论文校对和改进措辞。在使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对发表的内容承担全部责任。

CRediT作者贡献声明

川端達樹（Tatsuki Kawakane）：撰写 – 原稿、可视化、调查研究。早川航太（Kohta Kasai）：撰写 – 审阅与编辑、调查研究。智文俊之（Fumitoshi Tomo）：可视化、调查研究。南進（Susumu Minami）：撰写 – 审阅与编辑。岛田孝弘（Takahiro Shimada）：撰写 – 审阅与编辑、监督。

川端達樹|早川航太|智文俊之|南進|岛田孝弘