通过角场控制，在FeGe纳米圆柱体中工程化制备斯格明子（skyrmion）和螺旋态（helical states）

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Engineering skyrmion and helical states in FeGe nanocylinders through angular field control

本研究利用微磁模拟分析FeGe纳米圆柱在外磁场不同方向下的磁化反转行为，发现矫顽力和剩余磁化存在显著角度依赖性，并在临界角度发生拓扑相变，揭示了角度调控在拓扑磁体器件设计中的应用潜力。

　　

Eduardo Saavedra | Lucy A. Valdez | Pablo Díaz | Noelia Bajales | Juan Escrig

智利圣地亚哥大学物理系，Víctor Jara大街3493号，9170124，圣地亚哥，智利

摘要

我们利用基于Landau-Lifshitz-Gilbert方程的微磁模拟（在MuMax3软件中实现），研究了外部磁场的方向如何影响FeGe纳米圆柱体的磁化反转和自旋结构。FeGe是一种具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的手性磁体，能够稳定非平凡的自旋结构，如斯格明子。我们分析了长度固定为50纳米、直径在50至100纳米之间的纳米圆柱体，在不同角度（相对于圆柱体轴线1°至91°）下施加磁场的情况。研究结果表明，矫顽力和剩磁具有明显的角度依赖性，在特定临界角度处会出现急剧下降，这些角度标志着从斯格明子介导的反转转变为普通的螺旋模式。拓扑电荷分析证实，在临界角度以下，样品的拓扑特性接近于零；而在临界角度以上，拓扑特性消失。对于直径较大的圆柱体（90–100纳米），会出现与剩磁最小值相关的S形螺旋结构。这些发现强调了角度控制作为利用拓扑结构的自旋电子器件设计参数的重要性。

引言

磁性纳米结构已成为纳米技术的多功能平台，应用范围从生物医学治疗到高密度数据存储。自从早期展示了圆柱形磁性纳米线和纳米点[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]以来，研究人员一直在探索它们独特的几何依赖性磁行为。过去十年中的一个重大突破是引入了具有Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）[8]、[9]的材料，这种反对称交换作用能够稳定手性自旋结构。其中，磁性斯格明子因其拓扑保护性、小于100纳米的尺寸以及低电流驱动的迁移率[10]、[11]、[12]而受到广泛关注。

在DMI材料中，铁单锗化物（FeGe）已成为研究手性磁性的模型系统。其非中心对称的B20晶体结构以及能够在接近室温下容纳斯格明子的能力，使其特别适合用于器件应用[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。在FeGe纳米结构中观察到了多种磁性结构，包括斯格明子、螺旋结构等，这些结构既通过实验[19]、[20]、[21]也通过微磁模拟[22]、[23]、[24]、[25]、[26]得到证实。尽管取得了这些进展，但对这些手性状态的精确控制仍然具有挑战性，尤其是在使用外部参数（如磁场强度、限制几何形状或磁场方向）时。

在这些参数中，施加磁场与纳米结构几何形状之间的角度是一个强大但尚未充分探索的自由度。最近的研究表明，角度控制有可能驱动FeGe纳米结构中磁相之间的转变[27]。然而，对于磁场方向如何影响拓扑态的出现、转变和湮灭，目前仍缺乏系统的理解。这一空白限制了基于斯格明子的技术的发展，例如自旋电子逻辑元件或可重构存储架构，其中确定性开关和稳定性至关重要。克服这一障碍需要详细分析角度调节对矫顽力、剩磁和磁性结构拓扑的影响。

在这项工作中，我们对FeGe纳米圆柱体进行了全面的微磁研究，重点探讨了磁化反转和拓扑结构如何依赖于外部磁场的方向。通过模拟长度固定为50纳米、直径在50至100纳米之间的纳米圆柱体，我们确定了斯格明子样反转与拓扑平凡状态之间发生突变的关键角度。这种转变伴随着矫顽力和剩磁的急剧变化，揭示了拓扑结构与磁响应之间的直接联系。我们的发现表明，角度控制是一种调节手性系统磁行为的有效策略，并为设计利用拓扑保护和定向开关的自旋电子器件开辟了新的途径。

微磁模拟

我们使用开源软件MuMax3[28]（针对GPU计算进行了优化）对FeGe纳米圆柱体的磁行为进行了微磁模拟。该软件通过有限差分方案求解Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程：

其中是旋磁比，是无量纲阻尼常数，是局部磁化强度，$M_{}$是饱和磁化强度。该方程描述了磁化强度的进动和阻尼过程。

结果与讨论

图2总结了作为纳米圆柱体直径和施加外部磁场角度函数的磁状态。从剩磁状态提取的相图（左侧面板）显示了三种不同的磁化结构：类型I（类似斯格明子的结构）；类型II（S形手性结构）；类型III（螺旋结构）。右侧面板展示了每种类型的代表性自旋配置，其中磁化的-分量用颜色编码（红色表示$+z$，蓝色表示）。等值面显示了不同角度下的磁化状态。

结论

我们的研究结果表明，纳米圆柱体的直径、外部磁场角度以及控制FeGe纳米结构中磁化反转的磁结构之间存在强烈的相互作用。直径小于70纳米的纳米圆柱体无法维持类似斯格明子的结构，而较大直径的纳米圆柱体在特定角度范围内可以形成这种结构。对于每个直径，我们确定了一个明确的临界角度，在此角度以下，磁化反转通过

CRediT作者贡献声明

Eduardo Saavedra：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、软件开发、方法论、实验研究、数据分析、概念化。Lucy A. Valdez：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、软件开发、方法论、实验研究、数据分析、概念化。Pablo Díaz：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、概念化。Noelia Bajales：撰写 – 审稿与编辑、方法论、实验研究、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢以下机构的财政支持：Fondecyt（项目编号：1240829）、Basal Project（CIA250002）、秘鲁科尔多瓦国立大学（SECyT）的科学部$y$技术支持，以及国家科学研究委员会（CONICET）。