中大新聞網(wǎng)訊（通訊員劉林杰）磁性與機械應變梯度耦合的撓曲磁效應（Flexomagnetic Effect）是磁性材料中一種重要的力磁耦合效應，其在推動傳感、致動與俘能等新型智能電子器件向小型化和低功耗的發(fā)展趨勢中具有重要的應用前景，受到物理、力學、材料以及器件工程等多學科交叉領域的廣泛關(guān)注。然而，由于磁性（時間反演對稱破缺）與應變梯度（空間反演對稱破缺）在物理對稱性上的巨大差異，傳統(tǒng)材料與器件內(nèi)稟撓曲磁效應非常微弱，極大限制相關(guān)物理機理研究與器件設計的發(fā)展。最近，中山大學物理學院鄭躍教授團隊利用反對稱的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）作用成功實現(xiàn)了時間反演和空間反演對稱之間的強耦合，提出了磁性-應變梯度耦合的新微觀物理機理，將材料的撓曲磁效應提高了4個量級。該研究工作將有望揭開撓曲磁效應以及相關(guān)器件研發(fā)的新篇章。
在此項工作中，鄭躍教授團隊以反鐵磁多層薄膜體系中的內(nèi)稟反對稱DM作用為橋梁建立了磁性與梯度應變之間內(nèi)在聯(lián)系的撓曲磁作用。研究發(fā)現(xiàn)應變梯度誘導DM作用矢量隨彎曲方向轉(zhuǎn)動，并顯著影響體系磁化強度，而由此產(chǎn)生的撓曲磁效應具有顯著的尺寸效應，并隨著材料體系的尺寸降低而大幅提升磁彈調(diào)制效果。在此基礎上，他們預測了撓曲磁效應對反鐵磁多層膜磁性斯格明子（Skyrmion）的形變及凈磁化改變的規(guī)律。
圖1：撓曲磁效應: （a）不同應變狀態(tài)下的DM作用；（b）凈磁化隨應變梯度響應的理論計算結(jié)果；（c）等效撓曲磁系數(shù)的拓撲增強效應。
另外，該項研究還揭示了撓曲磁效應導致的奇異磁輸運特性。研究人員在理論上證明了應變梯度下斯格明子反常的霍爾偏轉(zhuǎn)來源于應變梯度作用誘導的幾何馬格努斯力，并將這種反常的磁結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)命名為撓曲霍爾效應（Flexo-Hall Effect）。該工作預測的撓曲磁效應強度比以往的理論預測高出4個量級，使得納尺度下的磁彈效應中由撓曲磁效應貢獻的部分比傳統(tǒng)壓磁、磁致伸縮效應的貢獻高出1-2個量級，為撓曲磁效應在器件應用上提供了新思路。
圖2：撓曲霍爾效應:（a）反鐵磁耦合的斯格明子示意圖；（b）不同彎曲方向下斯格明子的運動方向理論計算結(jié)果；（c）電子霍爾效應、斯格明子霍爾效應與撓曲霍爾效應示意圖，三種效應的偏轉(zhuǎn)方向分別取決于電荷、拓撲荷和應變梯度方向。
該研究成果于2022年6月21日以“Flexoresponses of Synthetic Antiferromagnetic Systems Hosting Skyrmions”為題在線發(fā)表在Physical Review Letters上。該工作由中山大學獨立完成，物理學院為第一單位，合作單位包括廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室、光電材料與技術(shù)國家重點實驗室、材料學院，物理學院博士生劉林杰為第一作者，鄭躍教授和陳偉津副教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目以及國家超級計算廣州中心的大力支持。
論文鏈接：http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.257201
