近日，南京大学物理学院陈宫教授、丁海峰教授课题组在拓扑磁学领域取得取得了新进展。在界面DMI符号交错变化的金属多层膜体系中实现了磁结构拓扑数Q的调控，在界面DMI体系中首次观测到了反斯格明子以及高阶斯格明子（|Q|≥1），并且利用氧气吸附实现了原位的磁拓扑转变。

Dzyaloshinskii–Moriya反对称交换作用（DMI）可稳定多种拓扑磁结构，如斯格明子（skyrmion）、反斯格明子（antiskyrmion）和磁半子（meron）等。这些结构受拓扑保护，在自旋电子学中具有重要应用前景。课题组系统分析了布洛赫型斯格明子、奈尔型斯格明子、反斯格明子和高阶斯格明子在块体型、界面型及各向异性型等均质DMI作用下的能量分布（图1），结果显示前三类型可以在对应的均质DMI材料中稳定，但是，高阶斯格明子无法由均质DMI材料所诱导。

基于此，我们设计并通过分子束外延制备出空间上DMI符号交替变化的磁性超薄膜[Ni/Co]n/Pd/W(110)，以期获得高阶斯格明子并实现磁结构拓扑态的调控。利用自旋极化低能电子显微镜（SPLEEM）技术，我们在实空间观测到Néel型畴壁手性的空间变化从而验证了其DMI符号的交替变化（图2）。

进一步地，模拟表明当非均匀DMI作用于磁泡结构时，磁结构的拓扑数Q与DMI反号边界穿过磁结构的次数n满足关系Q=1−n。实验中亦首次在界面DMI体系中观测到反斯格明子和高阶斯格明子的出现（图3），验证了非均质DMI材料对磁结构拓扑数的调控作用。

结合前期关于氧吸附调控DMI的工作 [Sci. Adv. 6, eaba4924 (2020)]，课题组在非均质DMI体系中通过氧吸附改变DMI能量的均匀性，从而实现了从拓扑平庸磁泡或反斯格明子到斯格明子的拓扑转变（图4）。

该成果以“Magnetic skyrmionic structures with variable topological charges in engineered Dzyaloshinskii-Moriya interaction systems”为题，于2025年4月11日在线发表在Nature Communications上。本项工作中，南京大学物理学院博士生牛恒为第一作者，南京大学物理学院陈宫教授和丁海峰教授为该工作的通讯作者。该项研究得到了南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心、固体微结构物理全国重点实验室的支持，并获得国家重点研发计划、国家自然科学基金等经费的资助。