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德国多机构联合成像斯格明子磁开关过程 首次观测到瞬态湍流行为

2026-06-01 09:56          德国 同步加速器同步辐射光源
来自德国柏林马克斯·玻恩研究所、费迪南德·布劳恩研究所、奥格斯堡大学、柏林亥姆霍兹中心、柏林工业大学和德国电子同步加速器中心(DESY)的研究团队,在DESY的PETRA III P04光束线上,利用特殊的X射线显微镜技术,以皮秒级时间分辨率直接成像了短电流脉冲对斯格明子的影响,空间分辨率达几个纳米。

模拟电流脉冲触发下,斯格明子(暗斑)形成过程中短暂湍流磁化模式的快照。(Bastian Pfau,MBI)

在被称为“斯格明子脱落”的过程中,一个新的斯格明子会在10纳秒内脱离。该过程开始和结束时的斯格明子(暗点)直径仅为100纳米。上图显示的是使用X射线显微镜拍摄的皮秒级快照,下图显示的是该过程的模拟结果。(Bastian Pfau,MBI)

 
研究团队使用聚焦氦离子束在样品上制备了一个仅100纳米大小的光斑,每次电流脉冲在该位置稳定产生一个尺寸大致相同的斯格明子。磁开关过程被认为是纳米尺度可控物理学的典型例子:通过自旋轨道力矩,短暂电流脉冲即可精确反转薄膜系统中的磁化方向,斯格明子则是其中一个特别有趣的案例,利用电流脉冲可产生并移动这些微小的磁化涡旋。
 
研究发现,当电流脉冲强度超过某一阈值时,斯格明子会在几纳秒内分裂成多个独立部分,并以无序模式进行湍流运动。相关计算机模拟证实了这种混沌行为。在这种不稳定状态下,研究人员首次观测到一种长期被预测的效应——"斯格明子脱落",即磁涡旋反复从预设位置脱离并释放到周围物质中。
 
值得注意的是,这种短暂的混沌过程并不影响最终结果:每个电流脉冲结束时,仍会在同一位置可靠地产生一个斯格明子。但观测到的瞬态湍流改变了研究人员对电流诱导磁开关过程中微观过程的基本认识。研究团队认为,这些发现也为通过不稳定性人为生成磁结构,乃至利用混沌实现"概率计算"等新型计算概念开辟了新的可能性。

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