納米尺度非線性拓撲磁性物態如磁性斯格明子（Skyrmion）、反斯格明子（Antiskyrmion）、磁性渦旋（Vortex）、反渦旋（Antivortex）以及磁泡（Bubble）等，特別是斯格明子(Skyrmion)態，由于其拓撲保護穩定性、納米小尺寸、磁場、溫度和電場等多通道調控等特性而引起學術界的廣泛關注，有望作為下一代高密度磁存儲器件的信息單元載體。這些拓撲磁性物態的產生和調控與許多物理現象密切關聯，例如：Aharonov-Bohm效應、Berry相效應、 拓撲霍爾效應、自旋轉移力矩效應、自旋-軌道耦合效應等。所以，從微觀角度深入研究拓撲物態與磁性、電磁性能的關系，不但可以深入理解磁性物態對材料物理性能的貢獻，還可以通過調控材料的物態促進其應用。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）磁學國家重點實驗室M07研究組副研究員張穎多年致力于透射電子顯微鏡研究微觀結構與新奇物性的關聯，并于近期利用洛倫茲透射電子顯微鏡研究磁疇結構高空間分辨率的優勢，分別在偶極相互作用的塊體材料和界面DMI相互作用的多層膜兩大體系中，系統研究了磁性斯格明子（Skyrmion）的生成及調控，對非晶材料磁渦旋結構(Vortex) 進行了外場調控，取得系列成果。

張穎與物理所M05組研究員王文洪等人合作，首次在具有中心對稱六角合金MnNiGa中，利用Lorentz透射電鏡直接觀察到寬溫區雙渦旋磁性斯格明子（biskyrmion），并對磁結構進行了解析。在前期工作基礎上，針對該體系中雙斯格明子密度不高，且撤掉磁場雙斯格明子即會湮滅的不足，張穎和博士研究生彭麗聰等，在上述六角MnNiGa合金中分別利用洛倫茲透射電鏡的樣品桿施加電流、改變溫度等原位調控，實現了寬溫區、零場穩定的高密度雙斯格明子，并與相關研究者合作，對實驗現象給出了合理的解釋。該工作克服了斯格明子的強磁場、低溫窄溫區的保存條件以及低密度的不足，使其有望在非易失性磁存儲器件得到應用，相關研究成果分別發表在npj Quantum Materials和Nano Letters上。

在界面對稱性破缺的多層膜體系中，磁性斯格明子可以在室溫附近穩定存在，并能實現低電流驅動，其參數易調、與器件的良好兼容性以及電流調控行為的優勢使其更有利于實際應用。目前主要集中在具有垂直磁各向異性的多層膜材料體系中，但在這種垂直磁各向異性多層膜中，外加磁場生成的磁性斯格明子密度一般較低且需要外場維持。M07組利用磁控濺射生長了系列Pt/Co/Ta多層膜體系，張穎和博士生何敏等分析了斯格明子的生成規律，得到了尺寸50納米以下的斯格明子，并通過洛倫茲透射電鏡施加原位電流調控實現了斯格明子密度可控，在最佳條件下得到了高密度的零場下穩定存在的斯格明子。相關成果申請了中國發明專利，部分研究成果發表在Applied Physics Letters上。

張穎和博士研究生左淑蘭等在含有高豐度稀土Ce元素的CeFeB非晶合金中首次發現了Vortex磁疇結構，對非線性磁渦旋vortex-antivortex的磁疇結構的生成以及在外加磁場，電場，溫度場的作用下的演變做了系統研究。Vortex結構作為一種拓撲磁疇結構在信息存儲領域有潛在的應用，之前在非晶坡鏌合金中研究較多。在CeFeB合金中vortex的生成以及調控研究拓展了高豐度稀土元素的新應用，相關研究成果發表在Acta Materialia上。

該系列工作在與諸多國內外研究者的合作下完成，并得到了國家重點基礎研究發展計劃、國家重點研究與發展項目、國家自然科學基金委、中科院青年創新促進協會項目等的資助。

圖1.在六角合金MnNiGa中，通過所示熱調控方法，利用洛倫茲透射電子顯微鏡，實空間觀察到高密度、非易失、零場的、寬溫域雙斯格明子晶格，與相對應溫度條件下，純磁場產生的隨機分布的雙斯格明子形成對比，且調控得到的斯格明子去掉磁場后仍能穩定存在

圖2.在六角合金MnNiGa中，利用洛倫茲透射電子顯微鏡，不同磁場下的熱調控方法，對斯格明子的生成和密度分布有很大影響。進一步分析磁場對調控的影響，電子自旋共振吸收譜的結果表明在居里溫度TC以上存在短程有序的鐵磁團簇，通過能量勢壘隨溫度變化定量計算，發現當溫度降低于居里溫度時能量勢壘顯著升高，從而認為Tc以上時，可磁場調控鐵磁團簇使之有利于斯格明子形核，降溫過程中能量勢壘的升高以及拓撲保護使得生成的斯格明子能零場穩定.

圖3.在Pt/Co/Ta多層膜中，利用洛倫茲透射電鏡在最佳的電磁調控條件下，得到零場下穩定存在的、高密度、尺寸小于50nm的斯格明子.

圖4.在非晶CeFeB材料中，利用洛倫茲透射電鏡研究磁渦旋和反渦旋在外加電場、磁場、溫度場的演變.