北京师范大学物理与天文学院张金星教授和沈卡教授团队人工设计并构筑出大面积铁磁双半子晶格

对称性是凝聚态物理的核心概念，几乎一切物理现象和功能特性都与之密切相关。手性磁体中空间反演对称破缺可产生Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，这是实现如斯格明子、霍普夫子等拓扑磁结构的关键参量，进而为量子自旋态、拓扑磁子输运等衍生物理现象提供全新的拓扑自旋结构。然而，传统材料的固有对称性限制了磁性体系中DM矢量的精准设计，这大大制约了人工创造、编辑与操控新奇拓扑自旋结构的能力。因此，开发人工操控材料对称性的新方法，在普适的材料体系中实现更广泛的拓扑磁结构，具有重要的科学意义和潜在的技术价值。

近日，北京师范大学与国内外科研团队合作，在传统强关联铁磁（La,Sr）MnO3薄膜中精准控制梯度应变，打破了三维DM矢量的旋转与镜面对称性，并观测到一种新型拓扑磁结构——铁磁双半子（bimeron）（图a）。利用非互易自旋波传输、磁力显微镜及微磁模拟等手段，揭示出该低对称DM矢量（特别是垂直DM矢量）在这种三维拓扑磁结构形成过程中的核心作用（图b）。通过精细磁相图的构建，首次找到了由自旋螺旋-斯格明子相变过程中所涌现的大面积bimeron晶格的形成窗口（图c）。该工作不仅提出了人工操控DM矢量对称性的全新思想，为更普适材料体系中大面积构筑新型拓扑磁结构提供了实验策略，也为探索这些实空间拓扑物态的衍生功能和量子现象提供了重要的物质基础。

该成果以“Stabilization and Observation of Large-Area Ferromagnetic Bimeron Lattice”为题发表在《物理评论快报》上，北京师范大学物理与天文学院博士生蔡米铭、王上元、讲师张跃林为论文共同第一作者，张金星、沈卡为论文共同通讯作者。上海科技大学张石磊、德国美因茨大学Mathias Kläui、法国SOLEIL同步辐射中心Nicolas Jaouen、英国 Diamond 光源Gerrit van der Laan、牛津大学Thorsten Hesjedal、北京航空航天大学于海明、中国科学技术大学罗震林等团队共同参与了本研究中的实验和理论工作。该工作得到了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金面上项目和青年基金、北京市自然科学基金以及中央高校基本业务经费等项目的资助。

图a，三维空间低对称DM矢量及铁磁双半子结构；b，垂直分量DM矢量的实验证据；c，大面积铁磁双半子晶格。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/587m-xvgv