近些年来实验中观察到的具有实空间非平庸拓扑性的斯格明子与超导磁通的相互作用引起了人们极大的兴趣。理论上早就指出在手性磁体和超导薄膜的异质结构中斯格明子会与超导磁通产生相互作用而形成一种复合拓扑结构。在此类复合拓扑结构中，斯格明子的非共线交换场会影响超导序参量的对称性而导致拓扑超导电性的产生，超导电流和超导磁通也为低能耗操控斯格明子提供了一种新的途径。迄今为止，尽管有大量相关的理论工作，实验上尚未直接观察到此类斯格明子-超导磁通对的存在。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心SC03课题组邱祥冈研究员与M02课题组韩秀峰研究员、于国强研究员合作，在前期成功生长Ta/IrMn/Ir/CoFeB/MgO/Ta磁性多层膜，并在室温观察到零场下的斯格明子（奈尔型）的基础上，将七层Ta/Ir/CoFeB/MgO磁性多层膜与Nb薄膜一起做成异质结，利用磁力显微成像成功地观察到了斯格明子与超导磁通形成的束缚对。
实验发现：
1、在这种结构的异质结中，当施加1750高斯的垂直磁场将其完全磁化，再将磁场降到零时，斯格明子会在铁磁层中稳定存在。2、在铁磁层中形成斯格明子后，再通过零场冷的步骤把温度降到超导转变温度以下（5 K）时，可以观察到3种成像结构，即：孤立的斯格明子、量子化的超导磁通、以及斯格明子-超导磁通对。3、在不加外场时，会有斯格明子-超导磁通对的存在，而在单层Nb膜中则观察不到超导磁通。4、斯格明子-超导磁通对中斯格明子和超导磁通为同轴结构，在外加反向磁场时是稳定的，而在正向磁场下则不稳定。
左图：手性磁体-超导体异质结的结构示意图；右图：零场、5K时磁力显微成像图，绿色方框内是斯格明子-超导磁通对，边上的黄色小圆点为孤立的斯格明子，右上角插图为基于Ginzburg-Landau方程计算的共轴结构的斯格明子-超导磁通对。
该工作用直观成像的方法验证了长期以来理论预言的斯格明子-超导磁通束缚对的存在，实验和计算结果表明当斯格明子满足一定条件时，其杂散场足以在超导薄膜层中产生超导磁通，从而形成一种复合的拓扑结构。只需要一个高斯量级的磁场就可以对这种复合拓扑结构进行操控，这提供了一种低能耗来实现基于斯格明子的自旋电子学器件的方法。此外，理论预言当改变手性磁体与超导体异质结的结构，在手性磁体与超导体之间引入自旋轨道耦合后，这种斯格明子-超导磁通对复合拓扑结构可以承载马约拉纳零能模，从而提供一种实现量子计算的新的平台。
上述相关成果以“Visualization of Skyrmion-Superconducting Vortex Pairs in a Chiral-Magnet–Superconductor Heterostructure”为题发表于Physical Review Letters 133，166706 (2024)，文章被选为Physical Review Letters当期杂志的编辑提示（Editor’s suggestion）文章。物理所博士生谢永节、钱昂、何斌、博士后吴驭飙为共同第一作者，邱祥冈研究员为通讯作者。韩秀峰研究员、于国强研究员、许兵研究员在样品的设计、制备以及数据分析方面共同开展了工作。该工作受到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院等资助。
编辑：亦山
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