几何诱导自旋手性：零场下非手性铁磁体中的自发磁手性各向异性

《Nature Nanotechnology》：Geometry-induced spin chirality in a non-chiral ferromagnet at zero field

　　本刊推荐：研究人员针对传统磁手性各向异性（MChA）依赖外磁场、复杂非中心对称晶体合成和低温环境的局限，开展了基于三维纳米工程在镍管中几何诱导自旋手性的研究。通过双光子光刻和原子层沉积技术构建了螺旋拓扑结构的镍管，在零场和室温下实现了自发非互易磁振子传输。X射线磁圆二色性显微术证实了螺旋自旋织构，布里渊光散射光谱显示可重构的非互易性，其手性参数超越天然手性磁体Cu2OSeO3。该研究为纳米尺度手性磁电子学提供了可扩展解决方案。

　　

在传统磁电子学研究中，实现非互易性信号传输往往需要突破三大技术壁垒：强外部磁场的施加、复杂非中心对称晶体的合成，以及低温工作环境的维持。这些限制严重阻碍了磁手性各向异性（MChA）在实际器件中的应用。尤其令人困扰的是，天然手性磁体如Cu₂OSeO₃虽然本身具有空间反演对称性破缺，但其基态缺乏倾斜磁矩，仍需借助外磁场打破时间反演对称性才能展现MChA效应。这一根本性矛盾促使研究人员寻求新的解决方案——能否通过纯粹的几何设计，在常规非手性铁磁材料中"植入"可控的自旋手性？

近日发表在《Nature Nanotechnology》的研究给出了肯定答案。瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的Mingran Xu、Axel J.M. Deenen等研究人员通过巧妙的三维纳米工程，在镍材料中实现了零磁场、室温条件下的自发磁手性各向异性。这项突破性工作的核心思路是将几何手性"烙印"在铁磁材料的结构中，从而绕过了传统方案的材料限制。

研究人员主要采用四项关键技术：双光子光刻（TPL）制备微米级螺旋聚合物模板，原子层沉积（ALD）覆盖30纳米厚镍壳层，扫描透射X射线显微镜（STXM）结合X射线磁圆二色性（XMCD）进行自旋织构成像，以及微聚焦布里渊光散射（μBLS）光谱分析磁振子动力学。所有实验均在室温下进行，样品通过悬浮式人工手性磁体（ACM）阵列实现光学表征。

Spontaneous MChA

通过微磁模拟发现，螺旋几何结构能在零场下诱导出稳定的螺旋自旋织构。扫描电镜图像显示右旋（RH）和左旋（LH）ACM具有相反的螺旋拓扑。

XMCD成像证实，在±250 mT饱和场后归零时，自旋构型呈现相反的螺旋性，且其手性方向完全由几何结构决定。这种自旋手性产生沿管轴的环形矩（toroidal moment），导致磁振子能带不对称性。

Reprogrammable zero-field chiral magnon transport

利用μBLS在室温下探测热激发磁振子动力学，发现零场下存在显著的非互易传输效应。

通过定义不对称参数η=(I_+k-I_-k)/(I_+k+I_-k)×100%，在z=-0.7 μm位置测得η=35.7%。该非互易性具有磁记忆效应：通过改变磁场历史（±30 mT饱和后归零），可重复实现两种非互易性状态，对应自旋织构手性的重构。

Quantifying the MChA

为量化MChA强度，研究人员定义频率非互易性参数χ，在±250 mT场下对比左右旋ACM的传输特性。

右旋ACM在z=-0.5 μm处获得最大χ=5.4×10^-2，超越低温下Cu₂OSeO₃的相应值（1.9×10^-2）。该不对称性的符号取决于几何手性方向，证明效应源于结构设计。

Interpreting geometry-induced spontaneous MChA

通过微磁模拟和解析理论分析，揭示非互易性源于两种机制：环形矩相关的非局域偶极-偶极相互作用，以及影响非零角向模式（m≠0）的交换相互作用（磁振子贝里相位）。

模拟显示，m=0模式在k_z=3.1 radμm^-1处展现显著非互易性，且随管径减小和磁化倾角增大而增强。对比镍和坡莫合金（Py）材料，发现Py具有更强非互易性，为材料选择提供指导。

研究结论表明，几何诱导自旋手性成功实现了零场、室温下的自发MChA，其手性参数超越天然手性磁体。该方法不依赖晶体对称性，可通过几何参数（螺距、半径）和材料选择灵活调控非互易性。特别值得注意的是，具有有限角向指数的磁振子携带轨道角动量，为拓扑保护的信息编码提供新维度。该技术可与声子等准粒子耦合，在混合系统中实现独立的非互易性调控，为三维自旋电子学中的整流器、微波信号处理器等应用开辟道路。随着双光子光刻技术向更小尺度发展，几何手性调控策略有望在纳米尺度集成器件中发挥更大潜力。