磁性斯格明子作为一种有前途的、拓扑保护的准粒子，在自旋电子学中得到了广泛的应用，受到了广泛的关注。斯格明子是一种小型的、旋转的拓扑磁激发，具有类似粒子的特性。然而，磁性斯格明子的稳定性较低，只能存在于较窄的温度范围内，粒子密度较低，因此需要外部磁场，这极大地限制了其更广泛的应用。

在《科学进展》杂志上发表的一篇新报告中，宋玉柱和一组研究人员通过晶格的热膨胀在亚铁磁体中形成了高密度、自发的磁性双斯格明子，而无需磁场。

研究小组通过使用中子粉末衍射和洛伦兹透射电子显微镜测量，注意到亚铁磁体化合物中原子级亚铁磁结构和纳米级磁域之间的紧密联系。

Song和团队探索了由于磁弹性耦合效应，负热膨胀在亚铁磁体化合物中产生双斯格明子的关键作用，以比较具有正热膨胀的材料的行为。

斯格明子和双斯格明子

磁斯格明子是具有拓扑保护的纳米级磁畴结构。它们独特的功能和小尺寸、较低的能耗以及电流驱动行为使它们成为自旋电子存储设备应用的有希望的候选者。

自2009年被发现以来，磁性斯格明子进入了快速发展时期。材料科学家和物理学家发现拓扑自旋结构包含不同的拓扑电荷，其中包括斯格明子、双斯格明子、反斯格明子、半子和反斯格明子。磁偶极子相互作用和单轴磁各向异性之间的竞争通常决定了双斯格明子的产生。

在这项工作中，研究小组通过研究晶格的负热膨胀，与由钬钴系统组成的块状金属亚铁磁化合物相比，提出了在很宽的温度范围内稳定高密度、自发磁性双斯格明子的方案[Ho(Co,Fe)3]。

该团队通过表征正热膨胀和负热膨胀的机制对该化合物进行了比较研究，以了解稀土磁体(HoCo3)内磁性双斯格明子的稳定性。

实验

研究小组首先通过进行随温度变化的中子粉衍射测量获得了磁性化合物的晶体和磁性结构。他们注意到材料的轮廓强度在不同温度范围内的明显变化，并显示出复杂的磁性结构变化的表现。

宋和团队确定了该材料的晶体结构，并探索了构成该化合物的稀土元素钬(Ho)以及过渡金属原子钴(Co)的磁矩。

亚铁磁体的磁矩随着温度的变化而旋转，产生一种称为自旋重定向的现象，使他们能够测量磁化过程的温度依赖性。当温度超过约425K时，磁性结构呈现无序顺磁状态。磁性结构的结果在所有温度下都很好地符合中子粉末衍射数据。

科学家们总结了亚铁磁体的磁性和结构参数在整个温度范围内随温度的变化。他们注意到，由于非谐晶格振动，磁性化合物的晶胞会随着温度的升高而膨胀。他们还进行了额外的中子粉末衍射研究，以计算构成钬和钴原子的磁性成分和总磁矩。

该团队通过第一原理计算化合物的能带结构和密度态，探索了亚铁磁钬钴系统中复杂的磁有序性。与许多稀土系统一样，Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida(RKKY)相互作用是亚铁磁体复杂磁性的基础。

在具有正热膨胀的同构HoCo2.8Fe0.2中没有观察到斯格明子。(A至F)L-TEM图像显示零磁场下磁畴演化随温度的变化;不产生斯格明子。这表明负热膨胀行为在稳定斯格明子形成中的关键作用。图片来源：《科学进展》，doi：10.1126/sciadv.adi1984

比较晶格负热膨胀和正热膨胀

在其他实验中，宋和团队进行了中子粉末衍射分析，以显示冷却时晶格负热膨胀的钬钴系统的旋转磁矩。

在零磁场下，科学家们对亚铁磁体在一定温度范围内的磁畴结构进行了成像，以显示该化合物不同的磁性双斯格明子。他们认为双斯格明子的自旋结构是由两个具有相反螺旋的斯格明子组成的。

自发斯格明子具有非常高的密度，并且在很宽的温度范围内保持稳定。他们通过用另一种含铁化合物表征结果，比较了钬钴系统的晶格负热膨胀和稳定斯格明子的存在，以显示后者的正热膨胀。

研究小组在后一种铁集成化合物中没有观察到任何斯格明子，他们在钬钴系统中出现双斯格明子的相同温度范围内进行了研究。

外表

这样，宋玉柱和团队通过确认稀土磁体中双斯格明子稳定过程中的负热膨胀，探索了晶格膨胀的一致性以及由于温度降低而导致的双斯格明子逐渐增加。

该团队在很宽的温度范围内获得了高密度、自发磁性双斯格明子，而无需对块体钬钴系统施加磁场。他们利用中子粉末在整个实验温度范围内的散射来确定化合物的复杂磁性和晶体结构。

结果强调了在稀土金属系统中在广泛的温度范围内自发产生高密度斯格明子的扩展机制。

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