南京大学物理学院陈宫课题组与合作团队实现范德华反铁磁材料中拓扑磁结构的观测与调控

近日，南京大学物理学院陈宫课题组与北京大学罗昭初课题组合作，在反铁磁拓扑磁学领域取得进展。合作团队利用自旋极化低能电子显微镜（SPLEEM），在垂直磁化的二维范德华反铁磁材料(Fe_1-xCo_x)₃GaTe₂体系中实现了高分辨率实空间磁畴成像，观察到了本征手性自旋结构，并通过温度驱动的反铁磁-铁磁相变，实现了反铁磁斯格明子的可控写入。

磁斯格明子是一种非平庸拓扑磁结构，由于驱动其运动所需的临界电流很低，有望应用于下一代低功耗、高密度自旋电子器件。传统铁磁斯格明子由于受斯格明子霍尔效应影响，其器件应用受到限制，层间反铁磁耦合体系具有无净磁矩、抗外场扰动、抑制斯格明子霍尔效应以及高电流驱动运动速度等优势，在低功耗拓扑自旋电子学器件中具有重要应用前景。然而，在范德华层状反铁磁材料中，层间强反铁磁交换作用也导致其相邻层间磁矩相互补偿，对其中拓扑自旋结构的实空间观测与调控仍面临巨大挑战。

合作团队选择具有A型反铁磁序的范德华材料(Fe_0.81Co_0.19)₃GaTe₂（FCGT）作为研究对象，该体系具有层内铁磁、层间反铁磁耦合的特征，并在约170 K附近发生反铁磁-铁磁相变。利用SPLEEM对FCGT的自旋结构进行了实空间成像，研究团队发现体系在高温铁磁相和低温反铁磁相中均呈现条纹状磁畴，但跨越单原子层台阶时的磁衬度行为明显不同：高温铁磁相中磁畴在奇数层台阶处保持连续，而低温反铁磁相中则发生磁衬度反转，直观确认了体系具有A型反铁磁层间耦合特征（图1）。

图1. FCGT中A型反铁磁层间耦合的实空间观测。a，具有两个原子级台阶的表面形貌。b、c，同一区域铁磁相（b）与反铁磁相（c）的SPLEEM图像。d、e，（b、c）中黑色方框内近表面磁化矢量的示意图。f、g，蒙特卡洛模拟得到的铁磁相（f）与反铁磁相（g）磁畴结构。h，单原子台阶两侧磁衬度不连续性的温度依赖关系。i，磁畴宽度的温度依赖关系。

在范德华铁磁体Fe₃GaTe₂（FGT）中，研究团队能够直接观察到具有Néel-cap结构的手性畴壁；但在FCGT裸表面未能分辨出清晰的畴壁结构。为此，研究团队通过沉积亚单层Co，在Co/FCGT体系中观察到了具有右手手性的畴壁结构。结合与FGT体系的对比分析，结果表明FCGT中存在内禀的Dzyaloshinskii-Moriya反对称交换相互作用（DMI）。

更为重要的是，由于反铁磁材料通常对外场不敏感，因此难以直接在反铁磁相中利用磁场写入磁结构。研究团队发现，可以借助反铁磁-铁磁相变实现对磁结构的间接调控：通过在铁磁相中施加外部磁场，成功写入斯格明子结构；随后在零场下降温至反铁磁相，实现了铁磁斯格明子向反铁磁相的映射，从而实现了反铁磁斯格明子的可控写入（图2）。此外，团队还利用微磁学模拟研究了反铁磁斯格明子的动力学，发现在具有偶数层补偿的体系中，斯格明子霍尔效应能够被完全抑制，其电流驱动运动效率显著优于传统铁磁体系。

图2. 反铁磁斯格明子的产生与动力学研究。a，冷却过程中的磁场–温度路径。b，零场冷却后FCGT反铁磁相中的条纹畴。c，场冷至铁磁相后形成的铁磁斯格明子结构。d，由（c）进一步冷却至反铁磁相后获得的反铁磁斯格明子结构。e，A型反铁磁多层膜中的反铁磁斯格明子示意图。f，g，不同层厚赛道中分别由自旋转移矩（STT）与自旋轨道矩（SOT）驱动的AFM斯格明子运动轨迹。h，i，分别由STT与SOT驱动时斯格明子运动速度与电流密度的关系。

该研究加深了人们对二维反铁磁材料中拓扑自旋结构观测与调控机制的理解。成果以“Real-Space Imaging and Control of Topological Spin Textures in a van der Waals Antiferromagnet”为题，于2026年5月13日在线发表于Nature Communications。本项工作中，南京大学物理学院博士生程致远为第一作者，南京大学陈宫和北京大学罗昭初为该工作的通讯作者。论文合作者还包括北京大学杨金波、彭丽聪、林中冲、韩国庆熙大学Hee Young Kwon、Changyeon Won、复旦大学吴义政、安徽大学马天平、杨蒙蒙、南京大学丁海峰、于葛亮、郝玉峰、孙亮、缪冰锋、杜人君等。该项研究获得了南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理全国重点实验室以及江苏省量子信息科学与技术重点实验室的支持，并获国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科技计划项目、江苏省“双创计划”、江苏省重点研发计划、江苏省自然科学基金以及上海市科技重大项目等项目资助，在此一并致谢。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72895-7