磁斯格明子是一类具有非平庸拓扑结构的纳米尺度磁结构，兼具拓扑稳定性与几何可变形性。除拓扑荷外，斯格明子的形貌与螺旋度也是决定其相互作用、动力学行为和器件功能的重要自由度。几何限域能够通过边界条件改变局域能量分布，为调控斯格明子形貌及其集体行为提供有效途径。在偶极稳定体系或具有各向同性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的手性磁体中，几何限域通常表现为对斯格明子形貌的各向异性约束，其作用对螺旋度并不敏感。相比之下，D2d或S4对称磁体中的各向异性DMI具有方向依赖性，可稳定具有不同螺旋度的各向异性椭圆形斯格明子。尽管几何限域能够改变斯格明子的形貌，其如何与各向异性DMI共同作用，使椭圆度随螺旋度变化并诱导新的磁结构，仍是亟待解决的关键科学问题。
针对以上问题，北京大学材料科学与工程学院侯仰龙教授、彭丽聪研究员团队联合中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心、北京大学物理学院、山西师范大学和中山大学等单位，结合室温洛伦兹透射电子显微镜（L-TEM）原位外场调控、自动图像分析、解析模型和微磁模拟，揭示了FeNiPdP纳米条带中各向异性斯格明子椭圆率的螺旋度依赖限域效应，并观察到限域诱导的间隙表面涡旋。相关成果以“Helicity-Dependent Ellipticity and Interstitial Vortices in Confined Anisotropic Skyrmions”为题，于2026年9月30日在线发表于《先进材料》（Advanced Materials）。
图1. 研究成果发表在《先进材料》期刊网站
研究团队比较了无边界限域和纳米条带限域条件下各向异性斯格明子的形貌。在无边界限域条件下，顺时针（clockwise，CW）和逆时针（counterclockwise，CCW）螺旋度的椭圆形斯格明子具有近似简并的能量，其椭圆率满足互易关系ρCCW = 1/ρCW。引入纳米条带限域后，边界约束产生有效面内单轴各向异性，打破了两种螺旋度之间的椭圆率互易关系。文中的CW/CCW螺旋度均在固定样品坐标系中定义，改变观察方向会改变表观旋转方向，但不改变内禀螺旋度依赖。
图2. 各向异性DMI与几何限域协同调控斯格明子椭圆度的机制
实验上，团队制备了沿[110]和[1-10]晶向取向、宽度为500nm的S4对称FeNiPdP纳米条带。在295mT磁场下，CW和CCW螺旋度斯格明子可以在同一纳米条带中共存。L-TEM图像及面内磁感应强度重构结果显示，CCW斯格明子沿纳米条带方向显著伸长，而CW斯格明子沿横向受到压缩并趋近圆形。微磁模拟进一步证实了这一螺旋度选择性形变，表明限域并非仅施加与螺旋度无关的几何约束，而是与各向异性DMI共同调控斯格明子形貌。
图3. 洛伦兹透射电镜原位外加磁场下斯格明子椭圆率的螺旋度依赖演化
进一步的变磁场实验显示，两种螺旋度的斯格明子具有显著不同的形貌演化路径。随着垂直磁场增大，CW斯格明子的椭圆率单调增加并逐渐接近圆形；CCW斯格明子的椭圆率则呈非单调变化，先在中等磁场下增大，随后在更高磁场下减小。机器视觉大模型自动图像分析对λx和λy的定量提取，以及宽度为600nm的单螺旋度纳米条带实验，均验证了这一螺旋度选择性响应。
微磁模拟进一步证实了CW斯格明子的形貌单调变化和CCW斯格明子的非单调形变，并表明该差异来源于几何限域，而非磁历史或相邻斯格明子的螺旋度排布。作为对照，在无边界限域样品中，CW和CCW斯格明子的椭圆率随磁场变化基本一致且单调，进一步说明螺旋度依赖形变是各向异性DMI与纳米条带限域耦合的结果。
图4. 螺旋度依赖椭圆率对应的限域能量景观
为阐明螺旋度依赖形变的能量起源，团队采用简化的Belavin-Polyakov模型分析各向异性DMI与限域诱导面内各向异性的竞争关系。各向异性DMI将斯格明子的优选伸长方向与螺旋度锁定，而限域诱导的面内易轴进一步打破两种螺旋度之间的简并。完整微磁能量计算表明，CCW斯格明子在椭圆率-磁场参数空间中的能量谷底呈非单调轨迹，其最优椭圆率随磁场先增大后减小，与实验测量结果一致。
除调控斯格明子本身的形貌外，几何限域还重组了相邻斯格明子之间的磁化背景。在高磁场区，随着斯格明子间距增大，团队在相邻斯格明子之间观察到弱的附加磁衬度。过焦/欠焦L-TEM成像、相位重构和面内磁感应强度映射共同表明，该结构为间隙表面涡旋，并可随磁场升高由单涡旋演化为涡旋对。微磁模拟显示，间隙表面涡旋是一种由限域条件下退磁场重分布稳定的表面局域磁通闭合结构，其拓扑荷较小，且不同于贯穿薄片厚度的斯格明子管。
图5. 高磁场下间隙表面涡旋的形成与演化
该工作建立了几何限域、螺旋度、椭圆率和间隙表面涡旋之间的直接联系，拓展了对各向异性斯格明子限域行为的认识，并为利用螺旋度编程斯格明子形貌、相互作用及多态自旋电子功能提供了新的物理途径。论文提出的限域调控机制还可为进一步研究更复杂的三维拓扑自旋结构提供参考。
北京大学材料科学与工程学院博士生路尚润、罗清发为论文共同第一作者。侯仰龙、彭丽聪为论文通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金和北京市自然科学基金等的资助，并得到北京大学材料加工与测试中心等平台的支持。
