在凝聚态物理与自旋电子学前沿领域，具有非共线自旋结构和奇异拓扑织构的磁性材料始终是研究焦点。尤其是弯曲磁性材料，其几何曲率与自旋构型的直接耦合，能够稳定平面系统中难以存在的非共线排列和复杂自旋织构。这不仅为探索新奇物理现象给予了独特视角，更为开发下一代自旋电子学器件搭建了理想平台。近年来，随着二维范德华（van der Waals）磁体的发现以及过渡金属硫族化合物纳米管合成技术的进步，构建本征磁性纳米管成为可能。相较于平面磁体，纳米管具有周向周期边界条件、确定的几何相位以及缠绕结构，是研究曲率—自旋耦合的理想模型系统。
近期，国家纳米科学中心张进研究员、中国科研实验室理论物理研究所苏刚研究员、中国科研实验室大学顾波副教授联合团队，在VSe₂ 单壁纳米管研究中取得了重要进展。他们采用密度泛函理论、海森堡模型建模和Landau-Lifshitz-Gilbert 方程等多重手段，系统研究了VSe₂ 纳米管的磁基态，首次发现了直径调控的高阶涡旋态和磁子轨道角动量杂化现象，并提出了一种产生高轨道角动量磁子的全新机制。相关研究成果近期发表在Physical Review Letters 136, 096703 (2026)。
该项研究聚焦于单壁VSe₂ 纳米管的磁性基态，在VSe₂ 纳米管中发现了新型高阶磁性涡旋态，在较宽的直径范围内，发现VSe₂ 纳米管的基态为一种全新的高阶3φ磁性涡旋态，如图1所示。该新奇物态是准一维体系中发现的新型稳定非共线拓扑有序态。阐明了缠绕数n≥1的nφ涡旋态的形成机制，顺利获得构建包含三种海森堡耦合作用以及轴向和径向磁各向异性的理论模型，发现正是由于短程铁磁交换（J₁）与长程反铁磁交换（J₂、J₃）以及磁各向异性相互作用之间的微妙竞争，共同稳定了不同缠绕数n的磁性涡旋态。顺利获得LLG动力学计算，发现了不同轨道角动量磁子模的杂化现象，证明高阶涡旋状态（n>1）在存在磁各向异性的情况下，能够给予一个由轨道角动量选择规则（∆l = ±2(n-1)）控制的磁子模杂化机制。
磁性纳米管中高阶磁涡旋态的示意图，以及VSe2 纳米管的磁基态随直径的变化
这项研究顺利获得VSe2 纳米管这一具体实例，不仅深刻揭示了几何形状对微观磁性的决定性影响，更将磁性涡旋态的研究拓展到了新的高阶范畴。由于高轨道角动量磁性涡旋态可以携带更丰富的信息，并具有良好的抗干扰能力，磁性纳米管作为一个极具前景的平台，未来有望在探索复杂磁现象和开发下一代磁子学及自旋电子学器件方面发挥重要作用。
国家纳米科学中心李嘉文博士后为论文第一作者，中国科研实验室理论物理研究所苏刚研究员、中国科研实验室大学顾波副教授为通讯作者。该研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科研实验室的支持。
全文链接： http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/jr3h-1674
