中大新聞網訊（通訊員劉林杰）磁性與機械應變梯度耦合的撓曲磁效應（Flexomagnetic Effect）是磁性材料中一種重要的力磁耦合效應，其在推動傳感、致動與俘能等新型智能電子器件向小型化和低功耗的發展趨勢中具有重要的應用前景，受到物理、力學、材料以及器件工程等多學科交叉領域的廣泛關注。然而，由于磁性（時間反演對稱破缺）與應變梯度（空間反演對稱破缺）在物理對稱性上的巨大差異，傳統材料與器件內稟撓曲磁效應非常微弱，極大限制相關物理機理研究與器件設計的發展。最近，中山大學物理學院鄭躍教授團隊利用反對稱的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）作用成功實現了時間反演和空間反演對稱之間的強耦合，提出了磁性-應變梯度耦合的新微觀物理機理，將材料的撓曲磁效應提高了4個量級。該研究工作將有望揭開撓曲磁效應以及相關器件研發的新篇章。
在此項工作中，鄭躍教授團隊以反鐵磁多層薄膜體系中的內稟反對稱DM作用為橋梁建立了磁性與梯度應變之間內在聯系的撓曲磁作用。研究發現應變梯度誘導DM作用矢量隨彎曲方向轉動，并顯著影響體系磁化強度，而由此產生的撓曲磁效應具有顯著的尺寸效應，并隨著材料體系的尺寸降低而大幅提升磁彈調制效果。在此基礎上，他們預測了撓曲磁效應對反鐵磁多層膜磁性斯格明子（Skyrmion）的形變及凈磁化改變的規律。
圖1：撓曲磁效應: （a）不同應變狀態下的DM作用；（b）凈磁化隨應變梯度響應的理論計算結果；（c）等效撓曲磁系數的拓撲增強效應。
另外，該項研究還揭示了撓曲磁效應導致的奇異磁輸運特性。研究人員在理論上證明了應變梯度下斯格明子反常的霍爾偏轉來源于應變梯度作用誘導的幾何馬格努斯力，并將這種反常的磁結構偏轉命名為撓曲霍爾效應（Flexo-Hall Effect）。該工作預測的撓曲磁效應強度比以往的理論預測高出4個量級，使得納尺度下的磁彈效應中由撓曲磁效應貢獻的部分比傳統壓磁、磁致伸縮效應的貢獻高出1-2個量級，為撓曲磁效應在器件應用上提供了新思路。
圖2：撓曲霍爾效應:（a）反鐵磁耦合的斯格明子示意圖；（b）不同彎曲方向下斯格明子的運動方向理論計算結果；（c）電子霍爾效應、斯格明子霍爾效應與撓曲霍爾效應示意圖，三種效應的偏轉方向分別取決于電荷、拓撲荷和應變梯度方向。
該研究成果于2022年6月21日以“Flexoresponses of Synthetic Antiferromagnetic Systems Hosting Skyrmions”為題在線發表在Physical Review Letters上。該工作由中山大學獨立完成，物理學院為第一單位，合作單位包括廣東省磁電物性分析與器件重點實驗室、光電材料與技術國家重點實驗室、材料學院，物理學院博士生劉林杰為第一作者，鄭躍教授和陳偉津副教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省自然科學基金等項目以及國家超級計算廣州中心的大力支持。
論文鏈接：http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.257201
