近日，上海科技大学物质科学与技术学院拓扑物理实验室张石磊教授带领课题组本科生和研究生通力合作，利用软X射线泵浦探测技术发现了拓扑磁结构中的非常规弛豫过程，揭示了三维拓扑缺陷减缓磁有序弛豫过程的细节，研究成果发表在学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。
团队（左起）：研究生吴杨、张石磊教授、本科生张宸豪、研究生陈敬贻
以螺旋磁结构和磁斯格明子为代表的非共线磁有序相具有在三维实空间中扭曲并调制的微观自旋构型。由于其特殊的手性和拓扑结构，非共线磁有序材料具有常规铁磁材料不具备的丰富物理效应。非共线磁结构的自旋动力学可以用微磁理论框架描述。在该理论下，这些磁性结构在受到外部激励后经过一系列阻尼震荡将在纳秒内恢复到平衡态。然而，研究团队发现，这一恢复过程在实验观测上可以延长至百毫秒量级，远远超出了传统理论描述下的时间尺度。
图1 (a,b)基于软X射线磁散射的泵浦探测原理与(b)两步弛豫过程示意图。
为解释这一现象，研究团队提出了“两步弛豫过程”。如图1所示，在传统微磁理论预测下，体系在纳秒时间尺度迅速将序参量优化-在空间形成调制和有序（第一步弛豫）。然而，对于非共线磁有序相，即便在宏观序参量优化的状态下，三维拓扑奇点会自发形核，并随机分布在体系中。这些具有拓扑保护的缺陷犹如打了结的绳索，很难在纳秒尺度被“解开”。而体系在此时还未达到平衡态，只能用更长的时间（第二步弛豫）来“消化”这些三维拓扑缺陷。 为了精确观测这一演变过程，研究团队使用共振弹性X射线散射（REXS）泵浦探测技术（图1）研究了手性磁体。研究发现，非共线磁结构需要长达约0.2秒的时间才能恢复到平衡状态，即，这些三维拓扑奇点的寿命在百毫秒量级。
非共线磁序中因为拓扑缺陷导致的延缓弛豫动力学对拓扑物态的研究可能产生深远的影响。能够控制和操纵拓扑缺陷，有希望推动更高效和高速的自旋电子器件的发展。上海科技大学为该项研究的第一完成单位，物质学院2022级本科生张宸豪、2023级硕士研究生吴杨、陈敬贻为文章共同第一作者，张石磊教授为文章的通讯作者。其中，吴杨和陈敬贻在实验上精准测量了三维拓扑奇点的演化过程，张宸豪开展了系统的数据分析和理论计算，完善了自旋三维拓扑缺陷动力学的物理图像。
得益于上海科技大学物质学院拓扑物理实验室的先进材料制备和表征平台，课题组能够获得高质量样品，进而采集到关键数据。英国钻石光源和牛津大学为该工作的共同合作单位，与合作单位的课题实验与讨论也对该工作起到了重要的作用。
文章标题：Slow Equilibrium Relaxation in a Chiral Magnet Mediated by Topological Defects
文章链接：
https://journals.aps.org/prl/accepted/fd072YedE271228708520bb4bbfe37c54f43f83b6
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