磁性斯格明子（skyrmion）是一種具有拓撲保護性質的類渦旋磁疇結構，由於其具有奈米尺寸、高穩定性以及低理論驅動電流密度（~106 A/m2）等優點，在未來高密度、低功耗、非易失性的電子器件（如賽道儲存器、邏輯計算門和振盪器等）中均具有潛在的應用。

操控磁性薄膜材料中斯格明子的產生和湮滅是促進斯格明子基磁性儲存、邏輯器件發展的關鍵問題之一，目前國際上主要透過外加磁場、電學控制、光/熱操控方式來調節磁性薄膜材料中斯格明子形核勢壘，進而實現其產生或湮滅。晶格應變是改變材料電子結構的一種有效方法，因此也為調控斯格明子的形核場並進一步構建應變輔助的磁儲存、邏輯器件提供了全新的思路。然而，由於常用的應變輸出材料存在著有效應變數小或應變易失的問題，因而給非易失地操控斯格明子的產生/湮滅帶來了極大的挑戰。

近日，北京科技大學材料學院馮春教授和於廣華教授聯合華南師範大學侯志鵬副研究員和高興森教授、天津大學米文博教授、蘭州大學彭勇教授、中科院半導體所王開友研究員以及南京大學劉俊明教授，在Advanced Functional Materials上發表題為“Field-Free Manipulation of Skyrmion Creation and Annihilation by Tunable Strain Engineering”的研究論文[Adv. Funct. Mater. 2021, 2008715]。

圖1.應變調控斯格明子特性：(a) 結構和應變施加示意圖。(b) 不同應變作用下[Pt/Co/Ta]12樣品的MFM圖，標尺為500 nm，紅色虛線表示斯格明子開始形核的磁場位置，插圖表示條形疇、斯格明子以及鐵磁態的自旋排列示意圖。(c) 根據MFM結果繪畫出的磁場-應變相圖。

論文報導了一種基於形狀記憶效應的應變操控斯格明子產生/湮滅的新方法：透過溫控TiNiNb形狀記憶合金基底的相變產生可控的晶格應變（約1%）並作用在[Pt/Co/Ta]n多層膜上，有效地調節薄膜的介面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI），進而降低斯格明子的形核勢壘；同時，磁彈效應引起薄膜的易磁化軸在面內發生旋轉，動力學上為條形疇的斷裂並轉變為斯格明子提供驅動力，從而顯著降低斯格明子的形核場（最大可從400 Oe降低至0 Oe），最終透過可控的應變工程就能在無外場下控制斯格明子的產生和湮滅。而且，上述應變效應在室溫下具有非易失性，這為發展低功耗的應變輔助磁儲存、邏輯器件提供了一種全新的思路。

圖2. 最佳化應變效應以實現無場操控斯格明子：圖中展示應變施加示意圖（左側）和對應的[Pt/Co/Ta]8的MFM圖（右側），標尺為500 nm 。(a) 無應變狀態。(b) 拉伸應變平行於初始條形疇方向。(c) 拉伸應變垂直於初始條形疇方向。

北京科技大學的馮春教授、華南師範大學侯志鵬副研究員和天津大學米文博教授為論文共同通訊作者，北京科技大學的馮春教授為論文第一作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣州市科委等專案的支援。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202008715