南开新闻网讯（通讯员 程丹）近日，国际顶级学术期刊Advanced Materials（先进材料）以“A Library of Dipolar Skyrmion Bags Observed in a Centrosymmetric van der Waals Magnet”（在中心对称范德华磁体中观察到的偶极斯格明子袋库）为题，在线发表了南开大学物理科学学院付学文教授团队联合华南理工大学、华南师范大学等团队在新型拓扑磁结构领域的重要研究进展。团队依托自主研制的4D超快透射电子显微镜实验平台，在中心对称二维范德华磁体中实现飞秒激光对多种新型偶极斯格明子袋的高效生成与实时观测。该研究不仅极大丰富了斯格明子袋的物种库，也为基于拓扑磁结构的多态存储与低功耗自旋电子学器件开发提供了全新材料平台和调控手段。
斯格明子袋是由一个或多个斯格明子被畴壁闭环包裹构成的复合拓扑自旋结构，理论上可承载任意整数拓扑荷，因而具备超越传统二元存储的多态编码潜力。然而，以往报道的斯格明子袋大多局限于手性磁体或人工多层膜体系，其拓扑构型主要受限于所包裹斯格明子的数量，而中心对称磁体中偶极相互作用与磁晶各向异性的竞争则有望催生更丰富的形态。尽管如此，如何可控生成并稳定这类复杂拓扑磁结构，仍是领域内的一项挑战。
研究团队另辟蹊径，基于自主研制的新一代场发射4D超快透射电子显微镜系统，利用中心波长为515 nm、脉宽约240 fs的线偏振激光脉冲激发，在零磁场条件下于自主设计制备的中心对称vdW磁体Cr₁.₆Ti₀.₀₃Te₂薄片中实现了偶极斯格明子袋的直接、快速、高效生成。通过系统调节激光通量与样品温度，团队成功观测到多种此前未见报道的新型磁斯格明子袋构型，包括：磁化极角过渡180°的单环袋、内外环磁化旋转方向相反（总转角360°）的双环袋、内外环旋转方向相同（镜像对称180°+180°）的双环袋，以及畴壁上存在布洛赫点的拓扑平庸II类斯格明子袋。结合变温、变磁场的洛伦兹成像结果，并利用强度输运方程进行相位重构，得到的实验结果与微磁模拟高度吻合，揭示了不同构型斯格明子袋的稳定相图与磁场演化规律。研究表明，偶极相互作用与垂直磁各向异性的竞争是决定磁斯格明子袋类型的关键，而样品厚度与温度则进一步调控其稳定性窗口。值得一提的是，团队还观察到了包含多个环与多个内嵌斯格明子的“大型”斯格明子袋（最大者包裹约30个斯格明子），以及复合袋（如一个II型外环包裹一个I型内环等），展现了中心对称vdW磁体中偶极磁斯格明子袋极其丰富的形态学景观。这些结构在撤去外磁场后仍能稳定存在，且其磁场响应行为依赖于内外环的圆旋性组合：相同圆旋性双环袋在磁场中容易发生畴壁断裂，而相反圆旋性双环袋则表现出更强的鲁棒性。该研究建立了无接触、超快、可扩展的偶极磁斯格明子袋飞秒激光调控方法，突破了传统电、磁场调控的局限，为探索复杂拓扑自旋结构的静态与动力学特性提供了理想平台，同时也为未来高密度、多态拓扑自旋电子学器件的研发奠定了关键实验基础。
图1. 付学文团队自主研制的新一代场发射4D超快透射电子显微镜。
图2. 飞秒激光诱导产生的多种新型偶极磁斯格明子袋。
据悉，付学文教授团队自主研制的新一代场发射4D超快透射电子显微镜具备~200 fs和~1.4 nm的时空分辨率（发表于《Review of Scientific Instruments》和《Advanced Scientific Instruments》），可以在极高的时间与空间尺度直接观测物质微观演化过程。此次重要进展是付学文团队基于该自主先进仪器平台，继2024年实现拓扑磁斯格明子飞秒光快速写入（发表于《Nature Communications》），2025年实现首个室温拓扑磁斯格明子二元化合物（发表于《ACS Nano》）和光至晶格应变诱导磁斯格明子多态切换（发表于《Science Advances》），2026年实现拓扑自旋螺旋度皮秒相干翻转开关（发表于《Nature Nanotechnology》）和飞秒光诱导磁霍普夫子快速成核（发表于《Nature Physics》）、并成功捕获二维材料佩尔斯畸变相变动力学（发表于《Physical Review Letters》）及手性超表面光场转化微观动力学（发表于《Light: Science & Applications》）等之后，与合作者在新型拓扑磁结构领域取得的又一重要突破。
南开大学为该研究工作的第一通讯单位，南开大学博士生胡玥为第一作者，物理科学学院付学文教授为论文责任通讯作者，华南理工大学郑风珊教授和华南师范大学侯志鹏教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基础研究经费、南开大学前沿交叉科学研究院青年交叉项目等的支持。
文章链接： https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.73589
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