近日，上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室張石磊教授帶領(lǐng)課題組本科生和研究生通力合作，利用軟X射線(xiàn)泵浦探測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)了拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)中的非常規(guī)弛豫過(guò)程，揭示了三維拓?fù)淙毕轀p緩磁有序弛豫過(guò)程的細(xì)節(jié)，研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。

團(tuán)隊(duì)（左起）：研究生吳楊、張石磊教授、本科生張宸豪、研究生陳敬貽

以螺旋磁結(jié)構(gòu)和磁斯格明子為代表的非共線(xiàn)磁有序相具有在三維實(shí)空間中扭曲并調(diào)制的微觀(guān)自旋構(gòu)型。由于其特殊的手性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，非共線(xiàn)磁有序材料具有常規(guī)鐵磁材料不具備的豐富物理效應(yīng)。非共線(xiàn)磁結(jié)構(gòu)的自旋動(dòng)力學(xué)可以用微磁理論框架描述。在該理論下，這些磁性結(jié)構(gòu)在受到外部激勵(lì)后經(jīng)過(guò)一系列阻尼震蕩將在納秒內(nèi)恢復(fù)到平衡態(tài)。然而，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這一恢復(fù)過(guò)程在實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)上可以延長(zhǎng)至百毫秒量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)理論描述下的時(shí)間尺度。

圖1 (a,b)基于軟X射線(xiàn)磁散射的泵浦探測(cè)原理與(b)兩步弛豫過(guò)程示意圖。

為解釋這一現(xiàn)象，研究團(tuán)隊(duì)提出了“兩步弛豫過(guò)程”。如圖1所示，在傳統(tǒng)微磁理論預(yù)測(cè)下，體系在納秒時(shí)間尺度迅速將序參量?jī)?yōu)化-在空間形成調(diào)制和有序（第一步弛豫）。然而，對(duì)于非共線(xiàn)磁有序相，即便在宏觀(guān)序參量?jī)?yōu)化的狀態(tài)下，三維拓?fù)淦纥c(diǎn)會(huì)自發(fā)形核，并隨機(jī)分布在體系中。這些具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的缺陷猶如打了結(jié)的繩索，很難在納秒尺度被“解開(kāi)”。而體系在此時(shí)還未達(dá)到平衡態(tài)，只能用更長(zhǎng)的時(shí)間（第二步弛豫）來(lái)“消化”這些三維拓?fù)淙毕荨?為了精確觀(guān)測(cè)這一演變過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)使用共振彈性X射線(xiàn)散射（REXS）泵浦探測(cè)技術(shù)（圖1）研究了手性磁體。研究發(fā)現(xiàn)，非共線(xiàn)磁結(jié)構(gòu)需要長(zhǎng)達(dá)約0.2秒的時(shí)間才能恢復(fù)到平衡狀態(tài)，即，這些三維拓?fù)淦纥c(diǎn)的壽命在百毫秒量級(jí)。

非共線(xiàn)磁序中因?yàn)橥負(fù)淙毕輰?dǎo)致的延緩弛豫動(dòng)力學(xué)對(duì)拓?fù)湮飸B(tài)的研究可能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。能夠控制和操縱拓?fù)淙毕?，有希望推?dòng)更高效和高速的自旋電子器件的發(fā)展。上?？萍即髮W(xué)為該項(xiàng)研究的第一完成單位，物質(zhì)學(xué)院2022級(jí)本科生張宸豪、2023級(jí)碩士研究生吳楊、陳敬貽為文章共同第一作者，張石磊教授為文章的通訊作者。其中，吳楊和陳敬貽在實(shí)驗(yàn)上精準(zhǔn)測(cè)量了三維拓?fù)淦纥c(diǎn)的演化過(guò)程，張宸豪開(kāi)展了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和理論計(jì)算，完善了自旋三維拓?fù)淙毕輨?dòng)力學(xué)的物理圖像。

得益于上?？萍即髮W(xué)物質(zhì)學(xué)院拓?fù)湮锢韺?shí)驗(yàn)室的先進(jìn)材料制備和表征平臺(tái)，課題組能夠獲得高質(zhì)量樣品，進(jìn)而采集到關(guān)鍵數(shù)據(jù)。英國(guó)鉆石光源和牛津大學(xué)為該工作的共同合作單位，與合作單位的課題實(shí)驗(yàn)與討論也對(duì)該工作起到了重要的作用。

文章標(biāo)題：Slow Equilibrium Relaxation in a Chiral Magnet Mediated by Topological Defects

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https://journals.aps.org/prl/accepted/fd072YedE271228708520bb4bbfe37c54f43f83b6