強磁場科學中心研究人員對接近室溫Skyrmion材料FeGe的磁性臨界行為進行了研究，并取得了新進展。研究發現，FeGe體系中的自旋耦合屬于短程相互作用，并且存各項異性的磁性相互作用。該研究成果以“Critical phenomenon of the near room temperature skyrmion material FeGe”為題在線發表在《科學報告》雜志上 (Scientific Reports 6, 22697； doi: 10.1038/srep22397 (2016))。
磁性Skyrmion是近幾年發現的新型拓撲納米磁結構，是一種拓撲穩定的渦旋狀自旋構型。研究表明：1. 很小的電流就可以驅動其運動，可以大大降低能耗；2. 由于其具有拓撲性，因此具有很的高穩定性；3. 納米級尺寸，可以大大提高存儲密度。基于低能耗、高穩定、高存儲密度的優勢，磁性Skyrmion在磁存儲自旋電子器件中具有潛在的應用價值。此外，近期已經成功實現了單個Skyrmion的寫入和擦除，為實現Skyrmion量子器件提供了更多可能，有力推進了研究的進程。
B20螺旋磁性FeGe，是一種非中心對稱立方結構材料，在接近室溫出現Skyrmion態（TC ~ 280K，7℃左右）。這是B20體系中出現Skyrmion態溫度最高的材料，也是目前最有希望成為下一代自旋電子器件的Skyrmion材料。FeGe中的非中心對稱結構導致的弱Dzyaloshinskii-Moriya (DM)相互作用和強的反鐵磁交換作用之間的競爭，導致了周期性的長程螺旋磁基態。Skyrmion相就出現在居里溫度以下極窄的溫度和磁場區域。此外，FeGe還表現出其它的復雜磁性行為，如自旋再取向等。目前，對這一體系中復雜多樣的磁相互作用機理尚不清楚。
強磁場中心研究人員對Skyrmion材料的臨界行為進行了系統研究。前期研究表明，在傳統的Skyrmion材料MnSi中，相變臨界點的臨界行為是三重臨界行為，其微觀磁性耦合屬于長程相互作用（Phys Rev. B 91,024403 (2015), J. Alloys Compd. 649, 46）。而對臨近室溫Skyrmion材料FeGe磁性臨界行研究表明，FeGe材料中螺旋磁有序是一種短程的自旋相互作用造成的，磁交換作用隨著距離快速衰減，其衰減函數為J (r) ≈ r ?4.9，這一結果接近三維海森堡理論模型的結果（r-5）。此外，研究還發現，FeGe體系中存在各向異性的磁耦合作用。這一研究進展對于探索Skyrmion材料微觀物理機制具有重要意義。
本項研究工作得到了穩態強磁場實驗裝置的支持，受到國家重大科學研究計劃項目、國家自然科學基金、大科學裝置聯合基金、綜合科學中心高端用戶基金等項目的支持。