近期，强磁场中心张蕾研究员课题组和美国田纳西大学David G. Mandrus教授合作，对手性磁孤子材料Cr_1/3NbS₂的临界行为进行了研究，并取得了进展。相关研究结果以Tricritical point and phase diagram based on critical scaling in the monoaxial chiral helimagnet Cr_1/3NbS₂为题，发表在美国物理学会杂志《物理评论B》上【Physical Review B 96, 094439 (2017)】。 

　　孤子（Soliton）又称孤立波，是一种在传播过程中形状、幅度和速度都维持不变的脉冲状行波。手性磁孤子（Chiral Magnetic Soliton）是一种自旋按螺旋方式排列形成的“孤子状”“准粒子”磁构型，其形成是自旋、轨道、晶格等多种自由度之间竞争和耦合的结果，因此，对于凝聚态关联电子体系的研究具有重要的物理意义【如图（a）所示】。手性磁孤子可以在材料中运动、传播，并且可以形成手性磁孤子晶格（Chiral Magnetic Soliton Lattice，CSL）。驱动磁孤子运动所需要的电流远远小于传统的微纳电子学器件，并且可以通过外磁场对其进行调制，因此在自旋电子学器件方面具有重要的应用价值【如图（b）所示】。 

　　实验上，在非中心对称结构Cr_1/3NbS₂材料中首次发现了手性磁孤子。对于Cr_1/3NbS₂，由于单轴非中心对称的晶体结构，导致了体系中Dzyaloshinskii-Moriya （DM）相互作用的出现。而DM相互作用和铁磁交换作用的竞争，使体系呈现出螺旋磁有序（Helimagnetic，HM）的基态。在零磁场的条件下，当温度降低到相变温度Tc以下，会形成螺旋磁有序的基态。而施加一定的外磁场，就会使螺旋磁有序逐渐调制到磁孤子态。进一步增加外磁场强度，磁孤子态最终被极化为铁磁态（Polarized Ferromagnetic， PFM）。 

　　研究人员对磁孤子材料Cr_1/3NbS₂的临界行为进行了研究，确定了其临界参数。临界参数显示Cr_1/3NbS₂中的自旋-自旋相互作用属于短程的海森堡相互作用，研究表明磁性孤子是一种亚稳态的磁有序结构。进一步，借助临界参数，对临界区域的磁化曲线进行了重新标度。通过标度率的分析，构建了在相变温度附近详细的H-T相图。Cr_1/3NbS₂的H-T相图显示，其在相变温度附近存在多种磁有序相（包括螺旋磁有序相，CSL-1态，CSL-2态，顺磁相，极化铁磁相）。相图揭示了其在相变温度附近存在两个临界点：一个临界点在手性磁孤子态、极化铁磁态和顺磁态的交汇点（~310 Oe）；另一个临界点在螺旋磁有序态、手性磁孤子态和顺磁态的交汇点（~85 Oe）。研究结果和近期的理论预言相一致。这一研究进展推进了人们对手性磁孤子材料的微观物理机制的认识和理解。 

　　该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、大科学装置联合基金等项目的支持。 

　　文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.094439。 

图：（a）外磁场调制下手型磁孤子的形成和构型；（b）电流驱动下磁孤子的传播和运动；

（c）磁孤子材料Cr_1/3NbS₂的标度率研究；（d）Cr_1/3NbS₂在相变温度附近的H-T相图。