近日，上海科技大学拓扑物理实验室张石磊课题组利用极小的温度梯度实现了对磁斯格明子弦的几何弯折，为三维拓扑磁结构的调控提供了新的思路。研究基于磁有序体系在有限温度下的磁振子摩擦效应，构筑了精准的二维温度场，设计了原位中子散射实验，在经典的斯格明子体系MnSi中成功实现了三维弦的操控。研究成果发表在学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications）。
磁斯格明子是一类由电子自旋在实空间构成的涡旋磁结构，因其特殊的拓扑几何构型能够诱导出一系列层展电磁学效应。斯格明子在第三个维度表现出类似于二类超导磁通的管状结构。因其在数学形式上体现出与狄拉克弦（链接两个磁单极子）的等效构型，斯格明子的核心在三维的连接被称为斯格明子弦。在实验上实现对弦的几何弯折具有重要的意义：弦的断裂能够产生丰富的三维拓扑奇点，为拓扑缺陷的基础研究提供了重要的物理载体，同时，弦的弯曲是构造全新三维拓扑磁有序相的前提。然而，目前对磁斯格明子的调控多聚焦于二维的平面移动，在其垂直维度的控制尚缺乏有效的手段。
研究团队针对这一问题，设计了能让斯格明子弦弯折的机制。传统的拓扑磁动力学认为，在线性温度梯度的驱动下，二维斯格明子在单向磁振子流的驱使下，一边向着热端移动，一边横向飘移。然而，最新的理论引入了磁振子摩擦阻力的概念。简单说来，拓扑磁结构沉浸在自旋极化背景之下，温度梯度诱导的平移对称破缺产生了环境的磁振子激发。这种环境的激发对拓扑磁结构的移动产生了对抗，类似于飞行中的足球受到了空气背景产生的摩擦阻力而减速。磁振子摩擦阻力直接导致了不同平均温度下斯格明子横向飘移的程度均不相同。因此，如果在一维梯度的垂直方向再分布一层温度梯度，将会导致不同层厚的拓扑准粒子偏折角度不同。从整体上看，斯格明子弦受到了弯折的力矩，最终被弯曲。
图1 磁斯格明子弦的弯折原理示意图
在实验上，依托拓扑物理实验室的先进表征和微纳结构制备平台，研究团队设计了精准的二维温度梯度场，并实现了在小角中子散射场景下的原位观测。团队在经典的斯格明子体系MnSi单晶中成功观察到了由磁振子摩擦效应导致的三维弦的弯折，其弯折程度可通过改变温度梯度分布进行控制。该成果不仅从实验上证实了磁振子摩擦阻力的存在，也为三维拓扑磁结构的调控提供了有效手段。
上海科技大学为本研究的第一完成单位。物质学院拓扑物理实验室前助理研究员冉柯静、物质学院2023届硕士毕业生谭万聪、2022届硕士毕业生孙鑫玉为文章共同第一作者，张石磊教授为文章的通讯作者。日本理化学研究所、英国ISIS散裂中子源、钻石光源和牛津大学为该工作的合作单位。该工作得到了上海科技大学物质学院拓扑物理实验室、光子科学与凝聚态研究部以及上海科技大学大科学中心的大力支持。
论文题目：Bending skyrmion strings under twodimensional thermal gradients
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