中心对称磁体中 meron 与 skyrmion 晶格之间的多步拓扑转变

拓扑自旋涡旋结构 (如 skyrmion 和 meron) 作为高密度磁信息器件的独特构建单元,近期引起了广泛关注。实现不同类型准粒子之间的受控转换是一项重要挑战,而此前这仅在少数以 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用为特征的非中心对称系统中得以实现。本文报道了在中心对称磁体 GdRu$_2$Ge$_2$ 中,多种 meron 和 skyrmion 晶格状态之间发生多步拓扑转变的实验发现。通过基于共振 X 射线与中子散射实验以及电子输运测量的详细磁结构分析,我们发现该化合物随外加磁场变化呈现出椭圆 skyrmion、meron/anti-meron 对以及圆形 skyrmion 的周期性晶格。这些结构的直径小至 2.7 nm,比典型的非中心对称磁体小近两个数量级。这种复杂的拓扑磁转变方式可以通过考虑不等价波矢下 RKKY 相互作用竞争的理论模型得到很好的重现。本发现表明,即使是具有竞争相互作用的简单中心对称磁体,也可以作为极具前景的材料平台,用以实现具有独特对称性和拓扑结构的更丰富种类的纳米级磁性准粒子,且其稳定性可通过各种外部刺激进行调控。