刘洪武教授课题组《自然—通讯》再发文揭示一种全新拓扑粒子

时间:2021-10-15    点击:

  近日,物理学院超硬材料国家重点实验室刘洪武教授课题组在凝聚态拓扑研究领域取得新进展,相关成果以“磁畴壁斯格明子维格纳固体(Wigner solids of domain wall skyrmions)”为题,于2021年10月14日在《自然×通讯》(Nature Communications)上发表。

  拓扑绝缘体是一种表面导电而内部绝缘且具有对称保护拓扑序的新型材料(其拓扑性源于材料在倒易空间特有的能带结构),在自旋电子学和量子计算等领域具有广泛的应用前景(拓扑相变的研究获颁2016年诺贝尔物理学奖)。随着对拓扑绝缘体研究的不断深入,近年来拓扑概念在凝聚态体系的应用备受关注,其中最具代表性的是手性磁体。手性磁体是一类具有反演对称破缺的磁性材料,借助自旋-轨道耦合诱导的手性相互作用形成拓扑自旋结构—磁斯格明子(左图)。磁斯格明子和拓扑绝缘体是拓扑性分别在实空间和倒易空间中的具体体现。作为一种在实空间能够被直接观测到的拓扑粒子,其新奇量子特性对制备高密度、高速度和低功耗新型磁存储器件都具有十分重要的意义。除了手性磁体中发现的磁斯格明子,理论预测斯格明子也可能在磁畴壁(domain wall)中形成一种全新的拓扑粒子—磁畴壁斯格明子(右图)。由于磁畴壁广泛存在于宇宙学、弦论、高能物理和凝聚态物理等诸多领域,因此磁畴壁斯格明子的实验发现将极大拓展斯格明子存在的维度和物理空间,对其特性的探测与研究在上述领域具有重要的理论和现实意义。

磁斯格明子(左图)和磁畴壁斯格明子(右图)二维平面投影图。箭头标记和颜色分别代表自选在XY和Z方向的取值,可以看出两种斯格明子自旋的缠绕结构不同。

  为了实现对这一新型拓扑粒子的实验观测,刘洪武课题组将具有超高探测灵敏度的阻式核磁共振(RDNMR)和非局域电阻测量巧妙结合,创建了全新的非局域阻式核磁共振测量(NRDNMR)技术(国家发明专利:CN202011028664.0)。该技术不仅将探测灵敏度提高了一个数量级,更为重要的是消除了磁场条件下电测量所产生的霍尔偏压影响,进而实现了对量子态本征特性的无损伤探测。研究人员利用该技术在InSb量子阱形成的量子霍尔铁磁(QHF)态磁畴壁中发现了这一全新拓扑粒子,相关重要结果包括:

  1. 发现基态磁畴壁斯格明子 理论预测磁畴壁斯格明子以磁畴壁激发态形式存在。而本研究表明,QHF态拓扑电荷和物理电荷的等价性会赋予磁畴壁斯格明子“带电性”并通过长程库仑相互作用形成一维维格纳晶体(即处于基态)。

  2. 实现高温维格纳晶体 相较于mk温度下形成的半导体电子或空穴维格纳晶体,磁畴壁斯格明子维格纳晶体可以在4k温度下保持稳定。该温度有望通过压力调节自旋-轨道相互作用控制拓扑粒子尺寸和间距而得到进一步提升。

  3. 调控拓扑相变 实验发现,通过调节朗道能级间有效磁场可以实现拓扑磁畴壁斯格明子晶体、玻璃体和非拓扑自旋波的相转变。该拓扑体系为研究量子临界性提供了一个崭新平台。

  需要指出的是,上述实验采用的InSb量子阱器件其生长制备已有30多年历史。2017年课题组正是基于同一样品成功揭示了量子霍尔边缘态手性对核自旋极化的重要影响,开启了边缘态手性在核自旋电子学应用的大门【Nat.Commun. 8, 15084 (2017)】。经过多年不懈努力研究人员为这一“古老”器件重赋生命,完美地诠释了“境自远尘皆入咏,物含妙理总堪寻”的真谛。

  上述研究成果第一完成单位为吉林大学,杨凯锋副教授为论文第一作者,刘洪武教授为论文唯一通讯作者。本工作得到了国家和吉林省自然科学基金的资助。


  论文链接 https://doi.org/10.1038/s41467-021-26306-8


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