【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近些年來實驗中觀察到的具有實空間非平庸拓?fù)湫缘乃垢衩髯优c超導(dǎo)磁通的相互作用引起了人們極大的興趣。理論上早就指出在手性磁體和超導(dǎo)薄膜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中斯格明子會與超導(dǎo)磁通產(chǎn)生相互作用而形成一種復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在此類復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，斯格明子的非共線交換場會影響超導(dǎo)序參量的對稱性而導(dǎo)致拓?fù)涑瑢?dǎo)電性的產(chǎn)生，超導(dǎo)電流和超導(dǎo)磁通也為低能耗操控斯格明子提供了一種新的途徑。迄今為止，盡管有大量相關(guān)的理論工作，實驗上尚未直接觀察到此類斯格明子-超導(dǎo)磁通對的存在。
 

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心SC03課題組邱祥岡研究員與M02課題組韓秀峰研究員、于國強研究員合作，在前期成功生長Ta/IrMn/Ir/CoFeB/MgO/Ta磁性多層膜，并在室溫觀察到零場下的斯格明子(奈爾型)的基礎(chǔ)上，將七層Ta/Ir/CoFeB/MgO磁性多層膜與Nb薄膜一起做成異質(zhì)結(jié)，利用磁力顯微成像成功地觀察到了斯格明子與超導(dǎo)磁通形成的束縛對。實驗發(fā)現(xiàn)：1、在這種結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)施加1750高斯的垂直磁場將其完全磁化，再將磁場降到零時，斯格明子會在鐵磁層中穩(wěn)定存在；2、在鐵磁層中形成斯格明子后，再通過零場冷的步驟把溫度降到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度以下(5 K)時，可以觀察到3種成像結(jié)構(gòu)，即：孤立的斯格明子、量子化的超導(dǎo)磁通、以及斯格明子-超導(dǎo)磁通對。3、在不加外場時，會有斯格明子-超導(dǎo)磁通對的存在，而在單層Nb膜中則觀察不到超導(dǎo)磁通。4、斯格明子-超導(dǎo)磁通對中斯格明子和超導(dǎo)磁通為同軸結(jié)構(gòu)，在外加反向磁場時是穩(wěn)定的，而在正向磁場下則不穩(wěn)定。
 

　　該工作用直觀成像的方法驗證了長期以來理論預(yù)言的斯格明子-超導(dǎo)磁通束縛對的存在，實驗和計算結(jié)果表明當(dāng)斯格明子滿足一定條件時，其雜散場足以在超導(dǎo)薄膜層中產(chǎn)生超導(dǎo)磁通，從而形成一種復(fù)合的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。只需要一個高斯量級的磁場就可以對這種復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行操控，這提供了一種低能耗來實現(xiàn)基于斯格明子的自旋電子學(xué)器件的方法。此外，理論預(yù)言當(dāng)改變手性磁體與超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，在手性磁體與超導(dǎo)體之間引入自旋軌道耦合后，這種斯格明子-超導(dǎo)磁通對復(fù)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以承載馬約拉納零能模，從而提供一種實現(xiàn)量子計算的新的平臺。
 

　　上述相關(guān)成果以“Visualization of Skyrmion-Superconducting Vortex Pairs in a Chiral-Magnet–Superconductor Heterostructure”為題發(fā)表于Physical Review Letters 133，166706 (2024)，文章被選為Physical Review Letters當(dāng)期雜志的編輯提示(Editor’s suggestion)文章。物理所博士生謝永節(jié)、錢昂、何斌、博士后吳馭飆為共同第一作者，邱祥岡研究員為通訊作者。韓秀峰研究員、于國強研究員、許兵研究員在樣品的設(shè)計、制備以及數(shù)據(jù)分析方面共同開展了工作。該工作受到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等資助。
 

　　左圖：手性磁體-超導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖；右圖：零場、5K時磁力顯微成像圖，綠色方框內(nèi)是斯格明子-超導(dǎo)磁通對，邊上的黃色小圓點為孤立的斯格明子，右上角插圖為基于Ginzburg-Landau方程計算的共軸結(jié)構(gòu)的斯格明子-超導(dǎo)磁通對。