近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心聯(lián)合安徽大學、美國新罕布什爾大學，在拓撲磁結構及其電流操控研究中取得重要進展，理論和實驗上首次發(fā)現多拓撲荷特性“磁束子”，將拓撲磁電子學研究對象從單位拓撲荷擴展到多拓撲荷，揭示了磁性材料中拓撲磁結構的多樣性，為未來開發(fā)多態(tài)存儲、邏輯及信息處理器件提供了新的數據載體研究對象，有望開辟拓撲磁電子學研究新領域。相關研究成果以Skyrmion bundles and their current-driven dynamics（《磁束子及其電流驅動動力學》）為題，發(fā)表在Nature Nanotechnology上。 C|]c#X2t3  
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數據存儲是信息社會發(fā)展的重要基石。以硬盤為代表的磁存儲器件的存儲速度、密度和能耗均趨于功能極限。因此，尋找新型磁性材料及磁結構，構筑高速度、高密度、低能耗磁存儲器件是信息領域發(fā)展的重要需求。2009年，科學家在手性磁性材料中發(fā)現了磁斯格明子（Magnetic skyrmion）的納米尺度磁結構。與傳統(tǒng)磁疇相比，磁斯格明子的磁矩呈渦旋狀排列可以產生單位磁性拓撲荷及層展電磁場，從而電子和磁斯格明子具有強自旋-電子相互作用。一方面，當電子通過斯格明子時，層展電磁場會對電子產生作用，使電子運動方向發(fā)生變化，產生拓撲霍爾效應；另一方面，電子對斯格明子通過自旋力矩作用，可以有效推動斯格明子運動。后續(xù)，科研人員在磁性材料中又發(fā)現了磁麥韌、磁泡斯格明子、磁浮子、磁霍普夫子等拓撲磁結構。這些磁結構具有與斯格明子類似的特性，具有強自旋-電子耦合特性，表現出作為新型數據載體構建新一代高性能自旋電子學器件的潛力。對于這些拓撲磁結構的深入研究，逐漸形成了當前自旋電子學的重要研究分支——拓撲磁電子學。 vGi<" Sn7  
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拓撲磁電子學研究的核心科學問題是拓撲磁結構的產生和操控。然而，傳統(tǒng)拓撲磁結構的拓撲荷多是單位拓撲荷（0或±1）。盡管已有“磁斯格明子袋”（Skyrmion bag）和“多拓撲態(tài)磁渦旋”等多拓撲態(tài)磁結構理論提出，但從未在實驗上進行證實。合作團隊首先通過三維微磁學計算模擬提出了一種由中間層“磁斯格明子袋”與表面層“多拓撲態(tài)磁渦旋”結合的三維多拓撲態(tài)磁結構。考慮其構型類似于超導重超導渦旋束，這種磁結構被命名為“磁斯格明子束子”（Skyrmion Bundles），簡稱“磁束子”。 Y7S1^'E 3  
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研究團隊利用聚焦離子束微納加工技術制備納米條帶器件，通過零磁場對斯格明子和螺旋磁疇混合態(tài)反轉磁場的方法，在實驗上實現了新型“磁束子”拓撲磁結構。利用洛倫茲透射電子顯微鏡原位磁結構觀測及調控技術，研究團隊在這一磁結構中首次觀察到具有不同磁拓撲荷的“磁束子”，并在此基礎上探索了納秒脈沖電流驅動下“磁束子”的運動行為。結果表明，多拓撲荷 “磁束子”具有粒子行為，能夠作為一個整體在電流驅動下運動，且其運動軌跡與拓撲荷符號密切相關。 #K^hKx9  
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研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、中科院科研儀器設備研制項目、中科院前沿科學重點研究計劃、中科院青年創(chuàng)新促進會和強磁場安徽省實驗室等的支持。 G+=Gc(J  
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論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-00954-9