吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉洪武教授課題組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)全新拓?fù)淞Ｗ哟女牨谒垢衩髯泳S格納固體

近日，吉林大學(xué)超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉洪武教授課題組在凝聚態(tài)拓?fù)溲芯款I(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以“磁疇壁斯格明子維格納固體(Wigner solids of domain wall skyrmions)”為題，于2021年10月14日在《自然-通訊》(Nature Communications)上發(fā)表。

拓?fù)浣^緣體是一種表面導(dǎo)電而內(nèi)部絕緣且具有對(duì)稱保護(hù)拓?fù)湫虻男滦筒牧希ㄆ渫負(fù)湫栽从诓牧显诘挂卓臻g特有的能帶結(jié)構(gòu)），在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景（拓?fù)湎嘧兊难芯揩@頒2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。隨著對(duì)拓?fù)浣^緣體研究的不斷深入，近年來拓?fù)涓拍钤谀�聚態(tài)體系的應(yīng)用備受關(guān)注，其中最具代表性的是手性磁體。手性磁體是一類具有反演對(duì)稱破缺的磁性材料，借助自旋-軌道耦合誘導(dǎo)的手性相互作用形成拓?fù)渥孕�結(jié)構(gòu)—磁斯格明子（左圖）。磁斯格明子和拓?fù)浣^緣體是拓?fù)湫苑謩e在實(shí)空間和倒易空間中的具體體現(xiàn)。作為一種在實(shí)空間能夠被直接觀測(cè)到的拓?fù)淞Ｗ樱�其新奇量子特性�?duì)制備高密度、高速度和低功耗新型磁存儲(chǔ)器件都具有十分重要的意義。除了手性磁體中發(fā)現(xiàn)的磁斯格明子，理論預(yù)測(cè)斯格明子也可能在磁疇壁(domain wall)中形成一種全新的拓?fù)淞Ｗ印�磁疇壁斯格明子（右圖）。由于磁疇壁廣泛存在于宇宙學(xué)、弦論、高能物理和凝聚態(tài)物理等諸多領(lǐng)域，因此磁疇壁斯格明子的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將極大拓展斯格明子存在的維度和物理空間，對(duì)其特性的探測(cè)與研究在上述領(lǐng)域具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)這一新型拓?fù)淞Ｗ拥膶?shí)驗(yàn)觀測(cè)，劉洪武課題組將具有超高探測(cè)靈敏度的阻式核磁共振(RDNMR)和非局域電阻測(cè)量巧妙結(jié)合，創(chuàng)建了全新的非局域阻式核磁共振測(cè)量(NRDNMR)技術(shù)(國(guó)家發(fā)明專利:CN202011028664.0)。該技術(shù)不僅將探測(cè)靈敏度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，更為重要的是消除了磁場(chǎng)條件下電測(cè)量所產(chǎn)生的霍爾偏壓影響，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)量子態(tài)本征特性的無損傷探測(cè)。研究人員利用該技術(shù)在InSb量子阱形成的量子霍爾鐵磁(QHF)態(tài)磁疇壁中發(fā)現(xiàn)了這一全新拓?fù)淞Ｗ�，相關(guān)重要結(jié)果包括：

1.發(fā)現(xiàn)基態(tài)磁疇壁斯格明子理論預(yù)測(cè)磁疇壁斯格明子以磁疇壁激發(fā)態(tài)形式存在。而本研究表明，QHF態(tài)拓?fù)潆姾珊臀锢黼姾傻牡葍r(jià)性會(huì)賦予磁疇壁斯格明子“帶電性”并通過長(zhǎng)程庫侖相互作用形成一維維格納晶體(即處于基態(tài))。

2.實(shí)現(xiàn)高溫維格納晶體相較于mk溫度下形成的半導(dǎo)體電子或空穴維格納晶體，磁疇壁斯格明子維格納晶體可以在4k溫度下保持穩(wěn)定。該溫度有望通過壓力調(diào)節(jié)自旋-軌道相互作用控制拓?fù)淞Ｗ映叽绾烷g距而得到進(jìn)一步提升。

3.調(diào)控拓?fù)湎嘧儗?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)朗道能級(jí)間有效磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)浯女牨谒垢衩髯泳�體、玻璃體和非拓?fù)渥孕�波的相轉(zhuǎn)變。該拓?fù)潴w系為研究量子臨界性提供了一個(gè)嶄新平臺(tái)。

需要指出的是，上述實(shí)驗(yàn)采用的InSb量子阱器件其生長(zhǎng)制備已有30多年歷史。2017年課題組正是基于同一樣品成功揭示了量子霍爾邊緣態(tài)手性對(duì)核自旋極化的重要影響，開啟了邊緣態(tài)手性在核自旋電子學(xué)應(yīng)用的大門【網(wǎng)址未加載mun. 8, 15084(2017)】。經(jīng)過多年不懈努力，研究人員為這一“古老”器件重賦生命，完美地詮釋了“境自遠(yuǎn)塵皆入詠，物含妙理總堪尋”的真諦。

上述研究成果第一完成單位為吉林大學(xué)，楊凱鋒副教授為論文第一作者，劉洪武教授為論文唯一通訊作者。本工作得到了國(guó)家和吉林省自然科學(xué)基金的資助。

論文鏈接：https://網(wǎng)址未加載/10.1038/s41467-021-26306-8

消息來源 / 超硬材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

排版 / 鄭百麗

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