《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Control of magnetic vortex chirality in ferromagnetic systems consisting of disks coupled with nanowires
编辑推荐：
D.A. 塔塔尔斯基 | V.L. 米罗诺夫下诺夫哥罗德洛巴切夫斯基国立大学，603950，下诺夫哥罗德，俄罗斯摘要本文介绍了由铁磁盘与铁磁纳米线耦合构成的平面阵列中磁状态及磁化反转过程的实验研究和微磁建模结果。研究表明，在该系统中，可以通过在样品法线方向施加外磁场来有效控制磁旋
D.A. 塔塔尔斯基 | V.L. 米罗诺夫
下诺夫哥罗德洛巴切夫斯基国立大学，603950，下诺夫哥罗德，俄罗斯
摘要
本文介绍了由铁磁盘与铁磁纳米线耦合构成的平面阵列中磁状态及磁化反转过程的实验研究和微磁建模结果。研究表明，在该系统中，可以通过在样品法线方向施加外磁场来有效控制磁旋性。磁旋极性取决于磁场的垂直分量；磁旋壳层的方向则取决于铁磁盘与纳米线的相对位置以及纵向磁场的方向。通过两步处理可获得具有相同磁旋性的磁旋结构：首先在强纵向磁场（1 T）下进行磁化，随后在弱反向磁场中对阵列进行重新磁化以消除反磁旋结构。
本文还探讨了利用铁磁盘-纳米线系统实现具有相位同步功能的磁旋自旋传输纳米振荡器阵列的可能性。
引言
磁旋是一种存在于铁磁盘中的磁化分布形式[1]，其特征为核心极性（磁旋中心的垂直磁化方向）和壳层方向（磁旋平面内的顺时针或逆时针磁化方向）。根据这些参数，磁旋可以处于四种不同的磁化状态，这些状态由P和C的不同组合决定[2]。磁旋的拓扑对应物是反磁旋[3]。这两种拓扑孤子常出现在不同的有序铁磁结构中[4]。
具有磁旋分布的铁磁结构在多种自旋电子学应用中得到广泛应用[5]。尤其是近年来，人们对利用磁旋自旋传输纳米振荡器（VSTNO）中的共振旋光模式产生了浓厚兴趣。这种结构对于开发紧凑型微波功率发生器具有巨大潜力[6]。然而，单个VSTNO的功率较低，因此需要将多个VSTNO组装成二维阵列来获得足够功率[7]。在这种情况下，必须控制单个磁旋的极性和壳层方向以实现振荡同步。值得注意的是，通过垂直磁场重新磁化可以很容易地获得具有相同核心极性的磁旋；而控制壳层方向则较为复杂。一种解决方法是通过使用非对称形状的铁磁盘，其中带有切割边缘的铁磁盘阵列被广泛用于此目的[8, 9]。通过纵向磁场对这类结构进行磁化可以实现所需的磁旋极性。然而，使用带切割边缘的铁磁盘在VSTNO中的应用存在显著缺点，因为这种形状不对称性会导致在高泵浦水平下磁旋旋光振荡的不对称性[10]。因此，亟需在不对铁磁盘形状造成变形的情况下控制磁旋壳层的方向。VSTNO的另一个问题是泵浦电流磁场的影响：该磁场会改变磁旋结构，从而显著改变振荡频率[11]。
本文提出了一种基于铁磁盘与纳米线连接的新型方法来控制磁旋的磁旋性（D-NW阵列）。该方法下，磁旋形成过程中的壳层方向由纳米线的磁化状态决定。与传统带切割边缘的铁磁盘相比，这种结构的磁旋变形较小。
部分摘录
实验方法和微磁建模
利用电子束光刻和离子束刻蚀技术制备了铁磁盘与纳米线耦合的阵列。作为基底使用了商业化的非晶TedPella Si3N4薄膜（厚度100 nm）。首先在基底上通过磁控溅射沉积100 nm厚的Ni80Fe20珀尔玛洛伊（Py）层；随后在Py表面通过离心法形成120 nm厚的正电子阻胶聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）层，并用电子束对其进行曝光。
实验结果与讨论
实验中，样品在透射电子显微镜（TEM）中的放置方式使得磁场在样品平面内的分量在绕X轴旋转时与纳米线（NW）方向完全平行（见图2b–d）。在第一组实验中，样品垂直方向倾斜30°，并开启物镜的最大磁场（达2 T），随后关闭磁场并观察空间磁场的菲涅尔对比度。
讨论
提高VSTNO输出功率的一种方法是使用二维阵列，使其中的磁旋实现同步旋光自振荡。为此目的，研究了具有磁静力相互作用的密集VSTNO阵列。在这种系统中，需要控制单个磁旋的磁旋性以实现相位同步。为此，我们制造了由两组相互连接的铁磁盘构成的阵列（D-2NW）。
综上所述，我们通过实验研究和微磁建模探讨了由铁磁盘与纳米线耦合构成的平面阵列中可控磁旋状态的形成机制。研究表明，利用特定方向的外磁场进行两步磁化反转可以控制磁旋的磁旋性。
实验直接在处于LTEM模式的电子显微镜中进行。磁场由物镜生成。
作者贡献声明
D.A. 塔塔尔斯基：负责撰写、修订与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、结果验证、软件开发、资源协调、课题申请、数据管理及概念构思。V.L. 米罗诺夫：负责撰写、修订与编辑、原始草稿撰写、项目监督、方法论设计、实验实施及结果分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家资助项目（编号FSWR-2026-0004）的支持。作者感谢E.V. 斯科罗霍多夫和I.Yu. 帕申金在样品制备方面的协助；样品的制备与分析工作还利用了俄罗斯科学院微结构物理研究所“微纳结构物理与技术”中心的相关设施。
