磁性材料中的自旋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

早在 20 世紀(jì) 40 年代就提出, 因?yàn)榫w各向異性能和相鄰自旋磁矩的耦合作用, 磁性材料中可能存在不同的磁疇結(jié)構(gòu)。 當(dāng)晶體各向異性能量占主導(dǎo)地位時(shí), 平凡的磁疇壁 (圖 1(a)) 會(huì)形成全通量閉合結(jié)構(gòu) (圖 1(b)), 而當(dāng)相鄰磁矩之間的耦合作用超過(guò)各向異性能時(shí), 可能出現(xiàn)渦旋或反渦旋狀結(jié)構(gòu), 如圖 1(c) 和圖 1(d)。 Mermin將這類(lèi)特殊疇結(jié)構(gòu)定義為拓?fù)淙毕?/font>, 即序參數(shù)停止連續(xù)變化且具有低維奇異性的區(qū)域。 一般來(lái)講, 鐵磁疇壁可歸類(lèi)為二維平凡的拓?fù)淙毕?/font>, 而更為復(fù)雜的通量閉合型、渦旋、反渦旋、中心疇、磁性斯格明子等結(jié)構(gòu)可歸類(lèi)為準(zhǔn)一維非平凡的拓?fù)淙毕?/font>, 微結(jié)構(gòu)如圖 1(e)—(h) 所示。 磁性拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)的形成主要是由納米磁性材料的巨大退磁作用引起的, 這種退磁作用使磁矩旋度增大, 使靜磁能量降至較低。 這些納米尺度的旋轉(zhuǎn)自旋結(jié)構(gòu),特別是磁性斯格明子, 具有非平凡的真實(shí)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 形成緊湊和自組織的晶格形式, 滿足經(jīng)典的Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用規(guī)律, 在拓?fù)浔Ｗo(hù)下激發(fā)、湮滅和可控制運(yùn)動(dòng)。 這些奇異的特性為未來(lái)的高密度、高速度、低能耗信息存儲(chǔ)器件的核心材料應(yīng)用提供了巨大的潛力。類(lèi)似于磁性材料中未成對(duì)電子形成的凈自旋在居里溫度以下形成自發(fā)磁極化, 在居里溫度以下, 鐵電材料中晶體對(duì)稱(chēng)性畸變誘導(dǎo)正、負(fù)離子相對(duì)偏移從而形成電偶極矩, 即自發(fā)鐵電極化。 局部有序的自發(fā)極化形成鐵電疇結(jié)構(gòu)。 當(dāng)鐵電材料體系被縮小到很小尺寸低維鐵電體時(shí), 在表面退極化場(chǎng)、應(yīng)變和靜電能的競(jìng)爭(zhēng)作用下, 自發(fā)鐵電極化可能形成非平凡的、平滑變化的極性拓?fù)洚牻Y(jié)構(gòu)。近期, 研究人員已經(jīng)從理論預(yù)測(cè)和實(shí)驗(yàn)觀察上證實(shí)了在彈性能、靜電能和梯度能相互作用下, 鐵電材料中可以形成尺度更小的極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 如通量閉合疇結(jié)構(gòu)、渦旋疇、泡泡疇和手性斯格明子等,且顯著影響材料的壓電、介電、非線性光學(xué)等特性。 本文將簡(jiǎn)要討論鐵電材料中因尺寸限制而出現(xiàn)的極性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。