东京大学研究生院工学系研究科的研究生吉持遥人、高木里奈助教（研究当时）、关真一郎副教授等人组成的研究团队，与东京大学物性研究所的中岛多朗副教授、北海道大学研究生院理学研究院的速水贤副教授等人进行了联合研究，在稀土类合金GdRu₂Ge₂中，通过改变外部磁场的大小，成功观测到了椭圆形斯格明子、梅隆—反梅隆分子、圆形斯格明子等多种自旋结构。相关成果已发表在《Nature Physics》上。
图1 稀土类合金GdRu₂Ge₂中的多种自旋结构概念图（供图：东京大学）
图2 以各种拓扑数表征的多种自旋结构概念图。（供图：东京大学）
斯格明子（a）及反斯格明子（b）构成的自旋贴合到球面时，正好覆盖球面一周（e，f），因此可以用整数值的拓扑数Nsk来表征。梅隆和反梅隆（c，d）正好覆盖球面的一半（g，h），因此可以用半整数值的拓扑数Nsk来表征。箭头表示物质内部的自旋方向，自旋向下时为蓝色，向上时为红色。
能够在磁性材料中观测到的电子自旋涡旋结构——磁性斯格明子，表现为受拓扑保护的稳定粒子，由于这一特性，它成为了备受瞩目的新一代信息载体的候选。传统理论认为，斯格明子只在具有低对称性晶体结构的物质中表达，但近年来有研究报道称，根据新的形成机制，即使在高对称性物质中，也能观测到直径数纳米的微小尺寸的斯格明子。
为此，研究团队将目光投向了具有保持空间反演对称的正方晶格结构的稀土类合金GdRu₂Ge₂。该物质具有一种交替层叠结构，由三价钆离子组成的发挥磁性作用的二维正方晶格层和由钌和锗组成的发挥导电作用的层面交叠而成。
研究人员对该物质进行了磁化测量和电输运测量，测量了磁化、纵电阻率和霍尔电阻率的磁场依赖性。结果表明，当向层叠方向施加外部磁场时，磁性结构会发生多级相变，特别是在第2级和第4级这两种磁相中，霍尔电阻率增大。目前已知，通常情况下，当电子在斯格明子上运动时，会反映斯格明子异常的拓扑结构，感知虚拟磁场并弯曲其前进方向，从而发生拓扑霍尔效应。这里观测到的霍尔电阻率的增加被认为是由这种拓扑霍尔效应引起的，这暗示了该物质中产生了多个斯格明子相。
为了直接观测微观自旋排列，研究人员使用安装在大强度质子加速器设施J-PARC的光束线上的高分辨率斩波光谱仪（HRC）进行了中子散射实验，并使用日本高能加速器研究机构（KEK）的光子工厂光束线进行了共振X射线散射实验。
结果显示，在第2级和第4级磁相中，直径2.7纳米的斯格明子在构成晶格的状态下稳定。此外，研究表明，该物质会对应外部磁场发生多级磁结构相变，特别是在第2、3、4级磁相中，表现出了椭圆形斯格明子、梅隆—反梅隆分子、圆形斯格明子等多种拓扑自旋结构。
此次的研究成果为斯格明子相关的微小尺寸新物质提供了设计指南。同时，斯格明子和梅隆—反梅隆分子可以用不同的拓扑数表征，这使得基于外部磁场的多值存储操作具有了新的实用化潜力。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Nature Physics
论文：Multistep topological transitions among meron and skyrmion crystals in a centrosymmetric magnet
DOI：10.1038/s41567-024-02445-9
