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儀表網 研發快訊】近些年來實驗中觀察到的具有實空間非平庸拓撲性的斯格明子與超導磁通的相互作用引起了人們極大的興趣。理論上早就指出在手性磁體和超導薄膜的異質結構中斯格明子會與超導磁通產生相互作用而形成一種復合拓撲結構。在此類復合拓撲結構中，斯格明子的非共線交換場會影響超導序參量的對稱性而導致拓撲超導電性的產生，超導電流和超導磁通也為低能耗操控斯格明子提供了一種新的途徑。迄今為止，盡管有大量相關的理論工作，實驗上尚未直接觀察到此類斯格明子-超導磁通對的存在。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心SC03課題組邱祥岡研究員與M02課題組韓秀峰研究員、于國強研究員合作，在前期成功生長Ta/IrMn/Ir/CoFeB/MgO/Ta磁性多層膜，并在室溫觀察到零場下的斯格明子(奈爾型)的基礎上，將七層Ta/Ir/CoFeB/MgO磁性多層膜與Nb薄膜一起做成異質結，利用磁力顯微成像成功地觀察到了斯格明子與超導磁通形成的束縛對。實驗發現：1、在這種結構的異質結中，當施加1750高斯的垂直磁場將其完全磁化，再將磁場降到零時，斯格明子會在鐵磁層中穩定存在；2、在鐵磁層中形成斯格明子后，再通過零場冷的步驟把溫度降到超導轉變溫度以下(5 K)時，可以觀察到3種成像結構，即：孤立的斯格明子、量子化的超導磁通、以及斯格明子-超導磁通對。3、在不加外場時，會有斯格明子-超導磁通對的存在，而在單層Nb膜中則觀察不到超導磁通。4、斯格明子-超導磁通對中斯格明子和超導磁通為同軸結構，在外加反向磁場時是穩定的，而在正向磁場下則不穩定。
該工作用直觀成像的方法驗證了長期以來理論預言的斯格明子-超導磁通束縛對的存在，實驗和計算結果表明當斯格明子滿足一定條件時，其雜散場足以在超導薄膜層中產生超導磁通，從而形成一種復合的拓撲結構。只需要一個高斯量級的磁場就可以對這種復合拓撲結構進行操控，這提供了一種低能耗來實現基于斯格明子的自旋電子學器件的方法。此外，理論預言當改變手性磁體與超導體異質結的結構，在手性磁體與超導體之間引入自旋軌道耦合后，這種斯格明子-超導磁通對復合拓撲結構可以承載馬約拉納零能模，從而提供一種實現量子計算的新的平臺。
上述相關成果以“Visualization of Skyrmion-Superconducting Vortex Pairs in a Chiral-Magnet–Superconductor Heterostructure”為題發表于Physical Review Letters 133，166706 (2024)，文章被選為Physical Review Letters當期雜志的編輯提示(Editor’s suggestion)文章。物理所博士生謝永節、錢昂、何斌、博士后吳馭飆為共同第一作者，邱祥岡研究員為通訊作者。韓秀峰研究員、于國強研究員、許兵研究員在樣品的設計、制備以及數據分析方面共同開展了工作。該工作受到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院等資助。
左圖：手性磁體-超導體異質結的結構示意圖；右圖：零場、5K時磁力顯微成像圖，綠色方框內是斯格明子-超導磁通對，邊上的黃色小圓點為孤立的斯格明子，右上角插圖為基于Ginzburg-Landau方程計算的共軸結構的斯格明子-超導磁通對。
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