近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心張蕾課題組和美國田納西大學教授David G. Mandrus合作，對手性磁孤子材料Cr1/3NbS2的臨界行為進行研究，并取得進展。相關研究結果以Tricritical point and phase diagram based on critical scaling in the monoaxial chiral helimagnet Cr1/3NbS2為題，發表在《物理評論B》上。 

　　孤子（Soliton）又稱孤立波，是一種在傳播過程中形狀、幅度和速度都維持不變的脈沖狀行波。手性磁孤子（Chiral Magnetic Soliton）是一種自旋按螺旋方式排列形成的“孤子狀”“準粒子”磁構型，其形成是自旋、軌道、晶格等多種自由度之間競爭和耦合的結果，因此，對于凝聚態關聯電子體系的研究具有重要的物理意義（如圖（a）所示）。手性磁孤子可以在材料中運動、傳播，并且可以形成手性磁孤子晶格（Chiral Magnetic Soliton Lattice，CSL）。驅動磁孤子運動所需要的電流遠遠小于傳統的微納電子學器件，并可以通過外磁場對其進行調制，因此在自旋電子學器件方面具有重要的應用價值（如圖（b）所示）。 

　　實驗上，在非中心對稱結構Cr1/3NbS2材料中首次發現了手性磁孤子。對于Cr1/3NbS2，由于單軸非中心對稱的晶體結構，導致體系中Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用的出現。DM相互作用和鐵磁交換作用的競爭，使體系呈現出螺旋磁有序（Helimagnetic，HM）的基態。在零磁場的條件下，當溫度降低到相變溫度Tc以下，會形成螺旋磁有序的基態。施加一定的外磁場，會使螺旋磁有序逐漸調制到磁孤子態。進一步增加外磁場強度，磁孤子態最終被極化為鐵磁態（Polarized Ferromagnetic， PFM）。 

　　研究人員對磁孤子材料Cr1/3NbS2的臨界行為進行研究，確定了其臨界參數。臨界參數顯示Cr1/3NbS2中的自旋-自旋相互作用屬于短程的海森堡相互作用，研究表明磁性孤子是一種亞穩態的磁有序結構。進一步研究發現，借助臨界參數，對臨界區域的磁化曲線進行了重新標度。通過標度率的分析，構建了在相變溫度附近詳細的H-T相圖。Cr1/3NbS2的H-T相圖顯示，其在相變溫度附近存在多種磁有序相（包括螺旋磁有序相，CSL-1態，CSL-2態，順磁相，極化鐵磁相）。相圖揭示了其在相變溫度附近存在兩個臨界點：一個臨界點在手性磁孤子態、極化鐵磁態和順磁態的交匯點（~310 Oe）；另一個臨界點在螺旋磁有序態、手性磁孤子態和順磁態的交匯點（~85 Oe）。研究結果和近期的理論預言相一致。這一研究進展推進了人們對手性磁孤子材料的微觀物理機制的認識和理解。 

　　該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、大科學裝置聯合基金等的支持。 

　　論文鏈接

　　（a）外磁場調制下手型磁孤子的形成和構型（b）電流驅動下磁孤子的傳播和運動（c）磁孤子材料Cr1/3NbS2的標度率研究（d）Cr1/3NbS2在相變溫度附近的H-T相圖。