受挫磁体中斯格明子谐振模式的选择性激发

在凝聚态物理的广阔领域中，持续涌现的奇异现象预示着信息技术的革命性进步。其中，磁性斯格明子作为拓扑保护的自旋结构脱颖而出，因其在下一代自旋电子器件中的潜在应用而备受关注。这些纳米级的磁化涡旋，类似于磁场中的结，展现出卓越的稳定性、低电流驱动阈值以及与电子电流的独特耦合。尽管许多研究都集中于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）系统中的斯格明子，但发表在《自然·通讯》对“受挫磁体中的自旋力矩斯格明子共振”的研究，特别是在像 Fe₃Sn₂ 这样的材料中，为理解和利用这些迷人实体开辟了新途径。

受挫磁体中的斯格明子：一个新范式

传统的斯格明子稳定理论通常指向DMI，这是一种由于材料缺乏反演对称性而产生的反对称交换相互作用。然而，受挫磁体提供了一个替代范式。在这些系统中，竞争性的磁性相互作用阻止了简单的铁磁或反铁磁基态的形成，从而导致了丰富多样的复杂磁性构型，包括螺旋相，当然也包括斯格明子。研究受挫磁体如 Fe₃Sn₂ 中的自旋力矩斯格明子共振尤其引人注目，因为这种材料具有一些理想的特性：即使在高温下也能保持斯格明子的高热稳定性、显著的拓扑霍尔效应，以及通过自感自旋力矩实现电流驱动螺旋度切换的有趣能力。这些特点使得 Fe₃Sn₂ 成为探索新型自旋电子功能的极具吸引力的技术平台。

实验方法与关键发现

上述研究的核心在于对 Fe₃Sn₂ 中存在的自感自旋力矩所激发的电流驱动斯格明子共振的实验演示。与传统的自旋转移力矩或自旋轨道力矩不同，自感自旋力矩源于传导电子与磁性结构本身的相互作用，这为在不需要额外层或外部磁场的情况下操纵斯格明子提供了一种高效的方式。通过采用时间分辨光学测量，研究人员能够精确探测斯格明子的动力学行为，并区分不同的激发模式，从而对其振动和旋转行为有了前所未有的深入了解。

这项研究的一个显著发现，使其有别于DMI主导系统中的研究，是斯格明子只选择性地激发了两种特定模式：呼吸模式和逆时针旋转模式。在DMI系统中，通常会观察到三种模式，还包括一个顺时针旋转模式。顺时针模式的缺失是一个关键的观察结果，表明受挫磁性相互作用与自旋力矩机制之间存在独特的相互作用。呼吸模式以斯格明子径向膨胀和收缩为特征，而逆时针旋转模式则是斯格明子围绕自身轴线旋转。这种选择性激发暗示了受挫磁体中自旋力矩的各向异性性质，其中某些自由度优先与驱动电流耦合。

线宽展宽与平面霍尔测量

此外，研究揭示了一个显著的现象：直流电流通过晶体时会调制斯格明子共振的线宽。这种线宽展宽是系统能量耗散的度量，为斯格明子动力学的微观起源提供了关键线索。微磁模拟作为一种强大的磁性现象建模计算工具，在解开这个谜团方面发挥了关键作用。模拟有力地证明，观察到的线宽展宽可归因于一种有效阻尼状自旋轨道力矩。这是一个重要的发现，因为它意味着即使没有明确的重金属层，阻尼状自旋轨道力矩也可以在受挫磁体内部自发产生，显著影响斯格明子的动态响应。从这些模拟中，提取了有效自旋霍尔电导率的定量测量值，估计约为 793±176(ℏ/e)(Ωcm)^−1，为未来的器件设计提供了宝贵的材料参数。

辅助的平面霍尔测量也提供了对电子输运机制的进一步见解。这些测量表明，虽然电子输运的主要贡献来自k空间拓扑特征，但实空间自旋结构也存在微小但确定的贡献。这强调了受挫磁体中电子和磁性自由度之间复杂的耦合，并凸显了全面理解斯格明子动力学需要同时考虑这两个方面的重要性。

研究意义

这项研究的意义是深远的。首先，它为受挫磁体中自旋力矩的各向异性性质提供了前所未有的深入了解。这种各向异性不仅仅是理论上的好奇；它对高效操纵和控制斯格明子在器件中具有实际意义。了解哪些模式优先被激发以及它们的阻尼如何受电流影响，可以指导设计节能的斯格明子自旋电子电路。

其次，该研究提出了一项创新应用：利用斯格明子共振作为高灵敏度自旋电流传感器。通过自旋力矩对斯格明子动力学的精确控制以及其共振模式独特的频谱特征，可以用于检测和表征复杂自旋电子结构中的自旋电流。这为探索基本自旋现象和开发先进传感技术开辟了新的可能性。

最后，这项研究为未来基于斯格明子的自旋电子器件的开发提供了关键指导。斯格明子因其固有的鲁棒性、纳米尺寸以及在低电流密度下可操纵的特性，被认为是下一代存储、逻辑和神经形态计算应用的极具吸引力的候选者。通过阐明受挫磁体中自旋力矩斯格明子共振的基本机制，这项工作为设计具有优化斯格明子特性的材料和器件奠定了基础。精确控制和检测斯格明子动力学是实现这些拓扑自旋结构在实际应用中全部潜力的先决条件。