DMI的出現(xiàn)要求打破磁性材料的空間反演對稱性及強的自旋軌道耦合作用（spin-orbital coupling，SOC）。因此，目前實驗上大多利用磁性薄膜和具有強SOC的重金屬薄膜形成異質(zhì)結(jié)來誘導出大的DMI，實現(xiàn)磁斯格明子態(tài)，這些材料在實際應用過程中仍存在著如何保證磁斯格明子的室溫穩(wěn)定性、可控讀寫和高密度等亟需解決的問題。隨著二維鐵磁性薄膜的發(fā)現(xiàn)，二維材料在自旋電子中的應用越來越受到重視，人們期待能在新材料中實現(xiàn)室溫穩(wěn)定可控的磁斯格明子。然而，目前已制備出的二維鐵磁材料如CrI3，VSe2和Fe3GeTe2等單層薄膜，由于其晶體結(jié)構(gòu)非對稱性約束，導致無法產(chǎn)生DMI，限制了其在磁斯格明子領(lǐng)域的應用。因此，探究出如何才能在二維磁性材料中誘導出大的DMI，并實現(xiàn)對磁斯格明子態(tài)的調(diào)控十分重要。
近年來，中國科學院科學家——寧波材料技術(shù)與工程研究所量子功能材料團隊研究員楊洪新致力于磁斯格明子材料的研究[Nature Materials 17, 605 (2018); Nature Nanotechnology 11, 449 (2016); Physical Review Letters 124, 217202 (2020); Physical Review Letters 115, 267210 (2015); Physical Review B 101, 184401 (2020); Physical Review B 102, 094425 (2020)等]。近期，科研人員提出利用二維多鐵材料內(nèi)稟的Rashba效應，不僅可以誘導出大的DMI，而且能實現(xiàn)電場調(diào)控磁斯格明子。該研究開辟了二維材料中通過多鐵性實現(xiàn)磁斯格明子的一體化電學調(diào)控新領(lǐng)域。相關(guān)研究成果以Electrically switchable Rashba-type Dzyaloshinskii-Moriya interaction and skyrmion in two-dimensional magnetoelectric multiferroics為題，以Rapid Communication的形式發(fā)表在Physical Review B上。
研究發(fā)現(xiàn)，在具有垂直電極化的二維多鐵材料中，其自發(fā)電偶極矩導致的電勢差會在薄膜中產(chǎn)生強的Rashba效應，可使傳導電子在磁性原子間傳遞DMI，而不要額外的重金屬元素來提高材料的SOC。利用二維多鐵材料的磁電耦合，通過外加電場使電極化矢量翻轉(zhuǎn)的同時也可實現(xiàn)DMI手性的翻轉(zhuǎn)，如圖1（a）所示。利用二維多鐵材料的這一特性，可在單一的二維多鐵材料中實現(xiàn)可相互轉(zhuǎn)換的具有不同手性和極性的磁斯格明子態(tài)，如圖1（b）所示。這可為利用磁斯格明子實現(xiàn)多態(tài)存儲提供了新思路。為實現(xiàn)以上構(gòu)想，科研人員研究了CrN單層薄膜等多種二維多鐵材料。通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，CrN單層薄膜中出現(xiàn)了DMI，大小達到了3.74meV /f.u.。通過分析DMI的能量來源發(fā)現(xiàn)（圖2（a）），CrN單層薄膜的DMI相關(guān)能量主要來自Cr原子。進一步分析CrN單層薄膜能帶的Rashba分裂發(fā)現(xiàn)，由簡單的Rashba模型出發(fā)計算的DMI系數(shù)和直接從第一性原理計算得到的DMI是一致的（圖2（b）～（c））。這些分析表明，CrN單層薄膜中的DMI是由體系Rashba效應導致的。利用計算的DMI等磁性參量，科研人員通過微磁模擬確認了在CrN單層薄膜可以實現(xiàn)磁斯格明子態(tài)。此外，科研人員研究了電場對CrN單層薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)調(diào)控（圖3），發(fā)現(xiàn)通過外加電場可實現(xiàn)CrN單層薄膜的DMI大小和手性翻轉(zhuǎn)。綜合以上研究，科研人員提出了在CrN單層薄膜中可以實現(xiàn)電場對磁斯格明子的翻轉(zhuǎn)調(diào)控。
研究工作由寧波材料所助理研究員梁敬華，博士崔琪睿和楊洪新合作完成。研究工作得到中科院基礎(chǔ)前沿科學研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目、國家自然科學基金和浙江省杰出青年科學基金等的支持，并獲得中科院寧波材料所超算平臺和天河超算對計算工作的支持。
來源：中國科學院
