近日，中国人民大学物理学院程志海教授课题组与中国科学院物理研究所杨海涛课题组、北京工业大学王晓蕾课题组以及北京理工大学王学云课题组展开合作，利用磁力显微术成功实现了对新型范德华室温铁磁材料Fe₃GaTe₂薄层中二维拓扑自旋结构—斯格明子（skyrmions）的精细操纵和图案化。研究团队不仅成功实现了对斯格明子的局域写入和擦除，还创造性地实现了对具有不同拓扑电荷（S =±1）skyrmions的精确可控写入，并构建了特殊的拓扑skyrmion结（topological skyrmion junction, TSJ）结构。该研究不仅验证了Fe₃GaTe₂作为存储器件材料具有巨大潜力，还为拓扑磁结构的研究和应用提供了新的方法和思路。相关研究成果以“Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂”为题发表在2024年10月4日在线出版的《Nano Letters》（DOI：10.1021/acs.nanolett.4c04031）上。

在室温二维铁磁Fe₃GaTe₂薄层中实现不同拓扑电荷skyrmions共存态

拓扑磁性结构作为未来自旋电子器件的有前景候选者，展现出独特的性能，有望颠覆信息存储与处理领域。其中，磁性skyrmions因其优越的稳定性、小尺寸以及对外部操控具有可调响应而被广泛应用于不同的自旋电子器件，包括轨道存储器、逻辑门和神经形态计算等领域。尽管已有多种宏观方法（例如施加外部刺激，包括应变、电场、热效应及激光脉冲等）被用于调节skyrmions的性质，但使用微观方法对不同拓扑荷数的拓扑孤子进行操控仍未得到充分探索。如果能够实现对局域拓扑电荷的调控，就可以构建出特殊的skyrmions异质结构，从而推动自旋电子学的发展。

由于其独特的物理特性，如巨隧道磁阻效应和强自旋轨道耦合，使二维范德华铁磁材料成为自旋电子学研究中备受青睐的理想平台。近年来，包括Cr₂Ge₂Te₆、CrI₃、Fe_nGeTe₂（n = 3、4或5）和CrTe₂在内的多种材料已被证实能够产生磁性skyrmion。Fe₃GaTe₂作为一种在室温下表现出铁磁性和拓扑霍尔效应的材料，为室温稳定操控skyrmion提供了可能，也为实现基于skyrmion自旋结构的拓扑工程提供了理想的实验平台。

文章利用MFM技术，在Fe₃GaTe₂材料中成功实现了对skyrmions的精细操纵，并取得了较高的操控精度。研究者通过精细调控MFM探针尖端的杂散场，成功实现了skyrmion的可控形成与擦除的过程，并首创构建了具有相反拓扑电荷（S = ±1）的skyrmion共存态，即拓扑skyrmion结（TSJ）。这一技术有望为基于skyrmion的存储设备引入全新的二进制位表示方法，为自旋电子学领域的发展注入新的活力。进一步的研究表明，特殊的TSJ结构不仅提高了电子的传输效率，降低了器件电阻，而且还是作为二维异质结的组成材料，能够利用其周期性局域磁场和拓扑电荷的近邻效应来调控实现奇异超导量子态等。此外，TSJ随着磁场的变化揭示了具有不同拓扑电荷的skyrmions晶格会表现出截然不同的拓扑特性。

图1.MFM探针操纵诱导Fe₃GaTe₂中skyrmions的形成和擦除

图2.MFM探针操纵诱导Fe₃GaTe₂中两种不同拓扑电荷skyrmions的形成以及图案化

图3.不同拓扑skyrmion结(TSJs)的输运特性及其可能的近邻作用

该工作以“Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂”为题发表在2024年10月4日在线出版的《Nano Letters》上，共同第一作者为米烁、郭剑锋。相关研究工作得到了科技部-国家重点研发专项、国家自然科学基金、教育部、中国科学院和中国人民大学资助。

程志海课题组一直致力于发展先进和功能化扫描探针显微技术，并利用其在低维量子材料和表界面物理研究领域开展创新性研究工作。近年来，与合作者一起围绕具有低维笼目晶格材料与关联电子态、磁性拓扑绝缘体、铁电半导体等开展了研究工作，在超原子晶体的反铁电极化金属态（Phys. Rev. X 12, 041034 (2022)）、表面笼目电子结构（Nat. Commun. 14, 5230 (2023)）、高灵敏光电晶体管（Advanced Functional Materials 32, 2205468 (2022)）等方面取得了一系列重要成果。

原文链接：

Mi, S.;Guo, J.;Hu,G.;Wang,G.;Li,S.;Gong,Z.;Jin,S.;Xu,R.;Ji,W.;Yu, W.; Wang, X.; Wang, X.; Yang, H.; Cheng, Z.Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂.Nano Lett.2024, DOI：10.1021/acs.nanolett.4c04031

Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe3GaTe2 | Nano Letters (acs.org)