范德华铁磁材料研究新突破：低温强磁场磁力显微镜探秘 Fe₃GaTe₂自旋纹理

研究动态

在二维范德华铁磁材料中实现磁性斯格明子，为未来自旋电子学应用开辟了广阔的前景。室温铁磁体Fe₃GaTe₂凭借其特性，成为调控这类磁孤子的理想平台。近日，中国人民大学的程志海教授团队成功引入并精确调控了具有不同拓扑电荷的斯格明子。研究中，团队通过特定的场冷却工艺构建出斯格明子晶格，且能利用尖端杂散场的精细调控对其进行擦除与重绘。团队在目标区域定制出具有相反拓扑电荷（S = ±1）的斯格明子晶格，形成具有特定构型的拓扑斯格明子结（TSJs）。此外，研究人员通过原位输运测量技术，深入探究了拓扑超导结（TSJs）与自旋极化器件电流之间的精妙相互作用，并对拓扑超导结的拓扑稳定性展开考察。研究结果表明，Fe₃GaTe₂不仅可作为基于斯格明子的自旋电子器件潜在构建单元，还为具有工程化拓扑自旋结构的Fe₃GaTe₂基异质结提供了应用前景。相关研究内容以《Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂》为题，发表于国际期刊《Nano Letters》。

研究进展

磁性斯格明子因其稳定性、微小尺寸及对外部操控的可控响应等特性，在先进自旋电子器件领域展现出巨大应用潜力，包括赛道存储器、逻辑门电路及神经形态计算设备等。为实现基于斯格明子的高集成度、高性能自旋电子器件，关键在于对斯格明子的特性进行有效调控，包括其尺寸、密度及稳定性等。铁空位的存在导致Fe₃GaTe₂材料中铁原子中心位置发生偏移，从而打破反演对称性并引入Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，最终形成奈尔型斯格明子。范德华铁磁体Fe₃GaTe₂的发现为室温下调控斯格明子提供了一个理想平台，也为实现斯格明子自旋织构的拓扑工程创造了实验条件。而实现真正实用的存储设备，必须能够以确定性的方式创建和消除斯格明子。为此，课题组深入研究 Fe₃GaTe₂中拓扑自旋织构的调控，成功实现了斯格明子图案的绘制与擦除操作。

图1：MFM探针操纵诱导Fe₃GaTe₂中skyrmions的形成和擦除。

图1a展示了MFM对Fe₃GaTe₂薄片内磁结构的操控，在磁针产生的杂散场相互作用下绘制和擦除斯格明子。在操纵模式下，通过沿z方向施加面外磁场（0.05T）成功绘制出均匀的斯格明子晶格，如图1b所示。图1c中的大尺度磁力显微镜图像显示，在操控区域内存在稳定且均匀的斯格明子晶格。清晰的边界表明MFM技术操控的高精度。通过施加0.17特斯拉的磁场成功擦除了斯格明子晶格中的斯格明子，如图1h,i所示。随后进行的随磁场递减的磁力显微镜数据显示，在斯格明子密度较低的区域，磁场下降会诱发迷宫状磁畴的形成，并使周围斯格明子失稳，如图1i−m所示。

图2  MFM探针操纵诱导Fe3GaTe2中两种不同拓扑电荷skyrmions的形成以及图案化。

课题组成功实现了具有不同拓扑电荷的斯格明子的共存，并构建出具有特殊电学特性的特定磁结构。具有拓扑电荷S=±1的自旋构型如图2a所示。通过反转磁性针尖的磁化方向及磁场方向，能够可控生成不同拓扑电荷数的斯格明子，如图2c所示。实验过程中，首先在Fe₃GaTe₂中创建S = -1的斯格明子晶格，此时磁场与针尖磁化方向呈正对齐，如图2d所示。随后，磁针磁化方向的反转导致如图2e所示的MFM图像中对应信号发生反转。经过多次操作后，被操控区域Í转变为S=1的斯格明子晶格，形成具有不同拓扑电荷的共存斯格明子晶格，如图2g所示。这种共存相态具有稳定性，在室温条件下即便没有外加磁场也能保持稳定。课题组将这种特殊磁结构命名为"拓扑斯格明子结(TSJ)"。通过系统性实验设计，课题组成功在Fe₃GaTe₂材料的斯格明子晶格上实现复杂图案化处理，如图2h,i所示。图2j,k展示了写入三个具有相反拓扑电荷的斯格明子后的磁力显微镜图像及对应示意图。

图3：不同拓扑skyrmion结(TSJs)的输运特性及其可能的近邻作用

随后，研究人员构建了一系列周期性斯格明子阵列，其磁力显微镜成像结果如图3a所示。值得注意的是，最小极限——即单个斯格明子周期性阵列已成功实现。这些周期性斯格明子阵列通过所含拓扑斯格明子结（TSJs）的数量来区分，从左至右分别对应0、3、5、9和16个。通过基于这些I-V曲线提取不同周期性斯格明子阵列的电阻，图3d展示了电阻与拓扑斯格明子结数量之间的关系。电阻值随TSJ数量的增加而降低，这是因为当电子通过具有相反拓扑电荷的斯格明子区域时，其运动偏转效应被有效抵消，这一现象与预期相符。

综上所述，该研究凸显了二维范德华铁磁体Fe₃GaTe₂作为研究磁性斯格明子拓扑结构及其工程化平台的潜力。研究通过使用磁性针尖成功实现了斯格明子晶格的绘制与擦除。研究结果成功实现了S=1和S=-1两种斯格明子晶格，以及这两种类型斯格明子的共存状态。研究结果表明，拓扑斯格明子可作为未来存储器件开发的候选平台，具有二进制表征和高效率传输特性，为研究拓扑自旋电子学和新量子态开辟了新路径。

文中使用到了室温MFM与低温MFM设备，其中低温MFM数据测量使用的低温强磁场原子力-磁力显微镜attoAFM-MFM I是由德国attocube公司研发的，该显微镜采用非磁性材料制成，专为低温、超低温和高磁场应用设计。它基于纳米精度位移台与扫描台，可提供多维运动、毫米级行程和亚纳米精度扫描。用户只需要更探针和切换对应的软件，即可实现压电力显微镜（PFM）、开尔文探针力显微镜 (KPFM)、导电力显微镜 (c-AFM)等不同功能之间的切换，进行空间分辨率<50 nm的磁性结构观测，研究超导材料变温变磁场下的磁通漩涡成像以及铁电体和多铁性材料的磁畴成像。

图4：常见配置-低温强磁场原子力磁力显微镜，兼容attoDRY2100低温系统。

attocube低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I

低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I 已经在北京大学，清华大学，南京大学，复旦大学，北京师范大学等单位顺利运行，持续助力各个课题组的科研工作。图4为常见的低温强磁场原子力磁力显微镜，该系统配置attocube的低温扫描台以及纳米精度位移台，可对常见氧化物薄膜，超导材料，低维层状材料，纳米线等微纳尺度材料的低温形貌，磁力磁畴与斯格明子观测等电磁学性质测量。值得一提的是，系统兼容德国attocube公司推出的用于超灵敏SPM测量的全新超低振动低温恒温器attoDRY2200。目前，该系统已经在中国、德国、英国等国家完成多套安装与运行，已助力全球用户在低温强磁场环境下的磁学成像研究中取得众多突破性成果。

图5： 低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I。

低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I主要技术特点：

☛ 成像模式：接触式，非接触式，恒高模式，恒力模式

☛ 样品定位范围：5×5×4.8 mm³

☛ 扫描范围: 50 μm ×50 μm@300 K, 30 μm ×30 μm@4 K   

☛ 标准技术：AFM

☛ 可选升级：MFM, PFM，KPFM, c-AFM

☛ 振动噪音（Z方向）：保证小于 0.15 nm (attoDRY)

☛  空间分辨率：小于 20 nm (attoLIQUID),  小于 50 nm ((attoDRY)

☛ 商业化探针，换针时间小于2分钟

☛ 兼容磁场环境：0~9T ( 取决于磁体系统，兼容12T，9T-3T，9T-1T-1T矢量磁体)

☛ 兼容温度范围：1.8 K~300 K

☛ 可升级 cryoRAMAN, AFM/CFM，atto3DR等功能

☛ 兼容：用于超灵敏SPM测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200

图5：用于超灵敏 SPM 测量的超低振动低温恒温器attoDRY2200

低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I 部分发表文献：

• Zhihai CHENG, et al. The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator. Adv. Mater. 2025, 2414560

• Wenbo WANG, et al. Towards the quantized anomalous Hall effect in AlO_x-capped MnBi₂Te₄. Nature Communications  16 : 1727 (2025)

• Jianfeng GUO, et al. Tunable Bifurcation of Magnetic Anisotropy and Bi-Oriented Antiferromagnetic Order in Kagome Metal GdTi₃Bi₄. Physical Review Letters 134, 226704 (2025)

• Yuansha CHEN, et al. Ferromagnetism in LaFeO₃/LaNiO₃ superlattices with high Curie temperature. Nature Communications  16 : 3691 (2025)

• Zhihai CHENG, et al. Real-Space Topology-Engineering of Skyrmionic Spin Textures in a van der Waals Ferromagnet Fe₃GaTe₂. Nano Lett. 2024, 24, 13094−13102

• Xianggang QIU et al. Visualization of Skyrmion-Superconducting Vortex Pairs in a Chiral-Magnet–Superconductor Heterostructure. Physical Review Letters 133, 166706 (2024)

• Yonglei WANG, et al. Toroidic phase transitions in a direct-kagome artificial spin ice. Nature Nanotechnology (2024)

• Yonglei WANG, et al. Unconventional Superconducting Diode Effects via Antisymmetry and Antisymmetry Breaking. Nano Lett. 2024, 24, 14, 4108–4116

• Zhihai Cheng, et al. Interlayer coupling modulated tunable magnetic states in superlattice MnBi₂Te₄(Bi₂Te₃)_n topological insulators. Phys. Rev. B 109, 165410 (2024)

• Stuart S.P. Parkin, et al. Thickness-Tunable Zoology of Magnetic Spin Textures Observed in Fe₅GeTe₂. ACS Nano 2024, 18, 7, 5335–5343

• Liying Jiao et al. 2D Air-Stable Nonlayered Ferrimagnetic FeCr₂S₄ Crystals Synthesized via Chemical Vapor Deposition. Advanced Materials 2024

低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM MFM I部分国内用户单位：