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成果介绍
范德华（van der Waals, vdW）反铁磁体是发展高效自旋电子学（spintronic）技术的重要平台。然而，在具有垂直磁各向异性（perpendicular magnetic anisotropy）的二维（2D）反铁磁体中，直接观测和操控拓扑自旋织构（topological spin textures）仍极具挑战。这主要源于反铁磁体的磁矩补偿态（compensated magnetic states）以及较强的层间交换作用，使得自旋有序的实空间解析和功能调控较为困难。磁斯格明子（magnetic skyrmions）因其拓扑保护特性和低功耗应用潜力受到广泛关注，但铁磁体中的斯格明子霍尔效应（skyrmion Hall effect）会使其运动偏离电流方向，制约器件集成。相比之下，层状反铁磁耦合有望抑制该效应并提高运动速度。尽管 vdW 磁体为磁性工程提供了高度自由度，但受限于缺乏高分辨且对反铁磁序敏感的磁成像手段，内禀二维反铁磁体中能否稳定存在手性自旋织构仍不清楚。
有鉴于此，北京大学 罗昭初 助理教授与南京大学 陈宫 教授合作，通过高分辨率实空间磁成像，直接观测并调控了具有强垂直磁各向异性的层状范德华反铁磁体 （FCGT）中的反铁磁畴和类斯格明子自旋织构。 研究团队利用自旋极化低能电子显微镜（spin-polarized low-energy electron microscopy, SPLEEM），直接观测到由偶极能、畴壁能与层间交换能竞争所驱动的 A 型（A-type）反铁磁条纹畴。研究发现，尽管体系没有剩余磁化强度（remanent magnetization），仍可借助温度驱动的铁磁-反铁磁（FM-AFM）相变，将铁磁相中的磁畴转移到反铁磁相中，从而写入反铁磁类斯格明子晶格。结合理论模拟，该工作揭示了层状反铁磁体中手性（chirality）的保持及其层间耦合机制，为在内禀二维反铁磁体中访问和调控拓扑自旋织构提供了可行路径，也为下一代全反铁磁自旋电子器件奠定了基础。
图文导读
图 1：Co 掺杂 （FCGT）的结构与磁学性质。(a,b) FCGT 原子结构示意图。(c) 入射电子能量为 时的低能电子衍射（LEED）。(d) 低能电子显微镜（LEEM）测得的 FCGT 表面形貌，标尺为 。(e) FCGT 在不同温度下的磁滞回线。(f) 零场冷却后测得的磁化强度-温度（）曲线，以及与磁化率倒数成正比的 -温度曲线；线性拟合得到居里-外斯温度 。(g) 反铁磁（AFM）到铁磁（FM）相自旋翻转（spin-flip）的临界场随温度变化关系，点为实验数据。
图 2：FCGT 中反铁磁畴的 SPLEEM 观测。(a) LEEM 表面形貌，标出两个原子台阶，标尺为 。(b,c) 同一区域在 （b，FM 相）和 （c，AFM 相）的 SPLEEM 图像。(d,e) b、c 中黑框区域近表面磁化矢量示意图。(f,g) 模拟得到的 FM 相（f）和 AFM 相（g）不同层畴分布；白色虚线表示层间边界。(h,i) AFM-FM 转变附近不连续比例（h）和平均畴宽（i）的温度演化。
图 3：范德华磁体中的手性自旋织构。(a) （FGT）近表层自旋结构示意图。(b,c) 室温下用不同入射电子极化方向获得的 FGT SPLEEM 图像；右上角标出极化方向，图中叠加畴磁化方向，标尺为 。(d) 跨畴边界的磁化强度轮廓， 和 分别取自 b、c 中虚线标记区域。(e-l) 对 左右的 FCGT（e-h）和 Co/FCGT（i-l）重复类似的结构示意、SPLEEM 成像和轮廓分析。
图 4：反铁磁斯格明子的生成与动力学。(a) b-d 所用的面外磁场冷却历史。(b) 零场冷却后在 FCGT AFM 相中观察到的条纹畴，标尺为 。(c) 场冷至 FM 相后形成的斯格明子晶格。(d) 将 c 状态在零场下冷却至 AFM 相后得到的反铁磁斯格明子晶格。(e) A 型 AFM 多层膜中反铁磁斯格明子示意图。(f,g) 自旋转移矩（STT，f）和自旋轨道转矩（SOT，g）驱动下，不同层数反铁磁斯格明子的运动轨迹。(h,i) STT（h）和 SOT（i）驱动下的斯格明子速度。
结论与展望
综上，本文发现 A 型范德华反铁磁体具有周期性多畴态和手性自旋织构，终结了这类织构能否在磁补偿相中稳定存在的争议。研究以相邻层完全反铁磁耦合的最简磁构型为对象，证明可利用 FCGT 中的 FM-AFM 相变，将 FM 相中的磁畴结构“印刻”并稳定到 AFM 相中。通过表面敏感磁成像、受控磁相变和理论模拟，研究团队揭示了复杂的反铁磁自旋织构，并给出了工程化反铁磁类斯格明子态的可行路线。未来通过材料设计和优化，范德华反铁磁体有望形成尺寸更小、稳定性更高的反铁磁斯格明子，并为全反铁磁自旋电子器件提供材料基础与调控策略。
文献信息
Real-space imaging and control of topological spin textures in a van der Waals antiferromagnet
(Nat. Commun., 2026, DOI: 10.1038/s41467-026-72895-7)
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-72895-7
