近日，南京大学物理学院陈宫教授、丁海峰教授课题组在拓扑磁学领域取得取得了新进展。在界面DMI符号交错变化的金属多层膜体系中实现了磁结构拓扑数Q的调控，在界面DMI体系中首次观测到了反斯格明子以及高阶斯格明子（|Q|≥1），并且利用氧气吸附实现了原位的磁拓扑转变。
Dzyaloshinskii–Moriya反对称交换作用（DMI）可稳定多种拓扑磁结构，如斯格明子（skyrmion）、反斯格明子（antiskyrmion）和磁半子（meron）等。这些结构受拓扑保护，在自旋电子学中具有重要应用前景。课题组系统分析了布洛赫型斯格明子、奈尔型斯格明子、反斯格明子和高阶斯格明子在块体型、界面型及各向异性型等均质DMI作用下的能量分布（图1），结果显示前三类型可以在对应的均质DMI材料中稳定，但是，高阶斯格明子无法由均质DMI材料所诱导。
图1｜各类DMI对不同斯格明子结构的稳定性分析。a–c：块体型、界面型和各向异性型DMI的DM矢量箭头方向示意。d–g：不同类型斯格明子（布洛赫型、奈尔型、反斯格明子、高阶斯格明子）对应的磁矩结构。h–k：对应结构的俯视图，展示奈尔与布洛赫分量。l–o：不同DMI类型下能量密度随方位角的变化关系，揭示其稳定性特征
基于此，我们设计并通过分子束外延制备出空间上DMI符号交替变化的磁性超薄膜[Ni/Co]n/Pd/W(110)，以期获得高阶斯格明子并实现磁结构拓扑态的调控。利用自旋极化低能电子显微镜（SPLEEM）技术，我们在实空间观测到Néel型畴壁手性的空间变化从而验证了其DMI符号的交替变化（图2）。
图2｜非均匀DMI调控畴壁手性。a：非均匀DMI引起的局域畴壁手性变化示意。b：W(110)上Pd条带的LEEM形貌图。c：[Ni/Co]2/Pd/W(110)多层膜的合成SPLEEM彩图。d：从实验中提取的畴壁手性分布与形貌图叠加。e：基于实验形貌设定DMI分布的模拟结果，验证手性调控机制
进一步地，模拟表明当非均匀DMI作用于磁泡结构时，磁结构的拓扑数Q与DMI反号边界穿过磁结构的次数n满足关系Q=1?n。实验中亦首次在界面DMI体系中观测到反斯格明子和高阶斯格明子的出现（图3），验证了非均质DMI材料对磁结构拓扑数的调控作用。
图3｜非均质DMI材料对磁结构拓扑数调控。a–h：模拟获得拓扑数Q = +1到?2的磁结构，对应DMI反号线穿过次数n从0至3。i：模拟中Q与n的线性关系。j–q：实验中观察到的不同磁结构（奈尔型斯格明子、拓扑平庸磁泡、反斯格明子、高阶斯格明子）的SPLEEM图像与手性图。r：实验统计结果，散点数字表示每种磁结构在实验中观察到的事件数量，展示Q与n的关系
结合前期关于氧吸附调控DMI的工作 [Sci. Adv. 6, eaba4924 (2020)]，课题组在非均质DMI体系中通过氧吸附改变DMI能量的均匀性，从而实现了从拓扑平庸磁泡或反斯格明子到斯格明子的拓扑转变（图4）。
图4｜基于氧吸附的拓扑转变。a–b：初始拓扑平庸磁泡的SPLEEM图像及手性分析。c–d：吸附0.2 ML氧气后同一区域的图像。e–h：反斯格明子向斯格明子的拓扑转变过程
