近日，我院董海明副教授指导2022级本科生王星迪，（已保研浙江大学硕博连读）联合国内外合作者在磁斯格明子（magnetic skyrmion）研究领域取得两项重要进展，相关成果分别发表于国际知名期刊 Nano Letters和 Chinese Physics Letters。两项研究从不同维度揭示了磁性斯格明子的可控操纵机制，为未来自旋电子器件和拓扑磁存储技术的发展提供了理论依据和材料平台。
斯格明子是一种具有拓扑保护特性的纳米尺度磁涡旋结构，因其粒子般稳定性和低能耗操控潜力，被视为下一代信息存储和逻辑器件的理想载体。然而，传统斯格明子的稳定通常依赖于手性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI），这严重限制了材料的选择范围。针对这一瓶颈，团队与合作者在发表于 Nano Letters的研究中提出了一种创新方案：通过空间工程化磁各向异性，在磁性纳米盘中稳定斯格明子和磁半子，无需依赖DMI。理论分析和微磁学模拟表明，各向异性竞争可以产生非共线拓扑自旋态，即使在完全不存在手性DMI的情况下，也能形成斯格明子和半子，如图1所示。
图1: 非手性磁性纳米盘模型：（a）磁斯格明子和（b）磁半子。
作为该结构的进一步应用，团队还设计了各向异性工程斯格明子阵列，从而实现了对自旋波传输的调控。通过操控斯格明子的涡度排列，可以实现自旋波的聚焦、偏转和分束等功能。这一成果为基于非手性拓扑结构的可重构磁学元件设计开辟了新途径。
在另一项发表于 Chinese Physics Letters的研究中，团队聚焦于斯格明子的高频动力学行为，系统探索了微波场对斯格明子的操控机制。研究发现，利用圆偏振微波通过逆法拉第效应可以在磁薄膜中产生等效磁场，进而对斯格明子施加吸引力或排斥力，如图2所示。该研究的创新在于首次系统探究了斯格明子的惯性质量在微波驱动下的动力学效应。传统的Thiele方程将斯格明子视为无质量粒子，其运动由陀螺力和阻尼力主导。而该研究在修正的Thiele方程中引入了惯性项，揭示了斯格明子在加速过程中的延迟响应特性。
图2： 基于GHz微波操控磁斯格明子模型示意图。
研究发现斯格明子的拓扑荷Q和微波的圆偏振手性共同决定了轨迹的旋向和空间演化。右旋圆偏振光产生排斥力，将斯格明子推离光束中心；左旋圆偏振光产生吸引力。Gilbert阻尼、微波强度、频率和惯性质量构成了调控斯格明子轨迹的多维参数空间。
两项研究从不同层面推动了斯格明子的发展：Nano Letters工作解决了“如何制造”的问题——通过各向异性工程在非手性材料中创造拓扑自旋纹理，大幅拓展了材料选择空间；Chinese Physics Letters 工作则回答了 “如何操控” 的问题——利用微波场在GHz频段实现对斯格明子的高效驱动和轨迹调控。二者结合，为未来基于斯格明子的自旋电子器件提供了从材料设计到动态操控的理论框架。
材料与物理学院始终坚持以育人为本，强化科教融汇、产教融合，培养具有创新精神和实践能力的高素质人才。学院坚持通过高质量的成长导师制引导学生早进课题组，参与科学研究。董海明老师长期扎根人才培养的第一线，在科研育人方面取得了优异的成绩。
论文信息：
1. X. D. Wang, J. F. Oliveira da Silva, Z. H. Tao, H. M. Dong, K. Chang, and M. V. Milosevic, "Symmetry-Tunable Skyrmions and Merons in Magnetic Nanodisks via Spatially Engineered Anisotropy." Nano Letters 26, 10964-10970 (2026).
2. Xingdi Wang, Haiming Dong, Kai Chang. "Gigahertz manipulation of magnetic skyrmions by microwave fields." Chinese Physics Letters 43(9), 090709 (2026).
新闻来源：材料与物理学院
责任编辑：彭诗意、马柯昕
一审一校：唐军、王小寒
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