磁性斯格明子是一種具有手性渦旋組態的磁疇結構。它具有高微結構穩定性，可以在較低的電流密度或其它外場作用下高速運動，被認為是下一代自旋電子器件的理想信息載體。然而，由于缺乏磁性斯格明子結構力磁耦合效應的原子尺度研究手段，關于磁性斯格明子輸運行為的微觀動力學行為一直沒有得到準確描述和預測，制約了磁性斯格明子功能器件的發展。

傳統的微磁理論模擬認為，無缺陷材料中的磁性斯格明子在電流、磁場梯度或溫度場梯度等外場驅動下的定向運動速度與外場強度呈線性關系。而最近的實驗觀測發現，磁性斯格明子定向運動感受到保守勢場作用而呈現奇異的非線性輸運行為。大多數研究人員認為這一行為是由于磁性斯格明子受到了晶格缺陷釘扎作用而引起，但產生這一現象的微觀機制始終不清晰。

圖1：(a)單個磁性斯格明子自旋組態（箭頭表示面內自旋分量，由其面外分量進行著色）和(b)局域晶格畸變場（LLDF）示意圖（箭頭表示原子相對其晶格的偏移）；(c)當磁性斯格明子在外場作用下定向運動時，其感受到LLDF提供的阻力；(d)當LLDF在外場作用下定向運動時，磁性斯格明子感受到LLDF提供的牽引力。在(c)和(d)，彩色箭頭表示頂部的磁斯格明子結構；彩色火花表示LLDF感受到的具有與母體晶體相同晶格周期性的保守勢場；而連接磁性斯格明子和LLDF的彩色桿代表了由于自旋晶格耦合效應而產生的相互作用。

我校物理學院鄭躍教授團隊針對磁性斯格明子擴散勢壘的微觀機制給出了新的機理解釋——自旋晶格耦合效應（spin-lattice coupling, SLC）。由于磁性斯格明子結構對應的自旋組態具有局部的非均勻分布，在自旋晶格耦合作用下，導致局域晶格畸變場（Local lattice distortion field, LLDF），如圖1(a)和(b)所示；而LLDF又可以反過來影響磁性斯格明子的動態演化行為，見圖1(c)和(d)。該研究成果于2021年8月24日以“Microdynamic Study of Spin-Lattice Coupling Effects on Skyrmion Transport”為題在線發表在Physical Review Letter上。首先，該項工作將自旋晶格動力學模擬方法拓展到磁性斯格明子體系，研究了無外場下磁性斯格明子自由擴散行為和磁場梯度下的磁性斯格明子定向運動，發現SLC效應引起的LLDF與磁性斯格明子相互作用為磁性斯格明子提供了一個保守勢場作用，使磁性斯格明子擴散呈現奇異的非線性行為。其次，通過構造并定向移動LLDF，磁性斯格明子在SLC效應影響下受到牽引力作用，呈現與LLDF一致的定向運動并伴隨著回旋運動，證實了LLDF與磁性斯格明子相互作用的存在。同時，通過描述磁性斯格明子運動的蒂勒方程，解析分析了LLDF對磁性斯格明子輸運行為的影響機制與規律。該項研究揭示了磁性斯格明子演化行為的普適性，其等價于布朗粒子逃逸保守勢場的輸運行為，并與Kramers解析理論預測相一致。另外，該項研究也展示了內稟自旋晶格耦合對于磁性斯格明子的精準調控有著重要作用，證實了自旋晶格動力學模擬是研究磁性斯格明子動態演化及其功能特性調控有效的原子尺度模擬方法。

該工作由中山大學獨立完成，物理學院為第一單位，合作單位包括光電材料與技術國家重點實驗室、中法核工程與技術學院和材料學院，物理學院博士生伍一豐為第一作者，鄭躍教授和文豪華副教授為共同通訊作者，陳偉津副教授也參與了研究工作。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委重點項目以及國家超級計算廣州中心的大力支持。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.097201