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寧波材料所在二維磁體中發現具有對稱性保護的各向異性Dzyaloshinskii-Moriya相互作用
作者:,日期:2022-03-27

  磁斯格明子是一種拓撲保護實空間的非共線磁渦旋準粒子,具有納米尺寸、結構穩定、易調控、驅動閾值電流小等諸多優點,有望成為下一代高容量、高速讀寫、低功耗、非易失性信息存儲及邏輯運算的信息載體。而磁斯格明子的形成、穩定和運動和一個磁相互作用(反對稱交換耦合又稱Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)緊密關聯,后者作為一個基本磁相互作用,又有著深刻的內稟物理性質,最近20年受到了基礎科學和應用科學研究領域的廣泛關注。與此同時,近年來發現的二維范德華磁體也因其獨特的物理特性,獲得了科學家的廣泛關注。中國科學院寧波材料技術與工程研究所楊洪新研究員帶領的量子功能材料團隊通過理論研究并與實驗團隊合作證明,磁斯格明子、雙半子和手性疇壁均可以通過各向同性DM相互作用在具有Cnv點群的二維本征磁體(如Janus磁體和單層多鐵材料)以及基于二維磁體的范德華異質結構中實現[Phys. Rev. B 101, 184401(2020), Editors’ Suggestion; Phys. Rev. B 101, 184401 (2020); Phys. Rev. B 102, 220409(R) (2020); Physical Review B 103 (10), 104410 (2021), Editors’ Suggestion; Phys. Rev. Res. 3, 043011 (2021)]。然而在二維磁體中的各向異性DM相互作用以及反鐵磁拓撲磁結構尚未有過報道。

  近日,楊洪新研究員帶領團隊在二維磁體中各向異性DM相互作用與拓撲磁結構研究中取得重要進展,相關工作以“Anisotropic Dzyaloshinskii–Moriya Interaction and Topological Magnetism in Two-Dimensional Magnets Protected by  Crystal Symmetry”為題發表于Nano Letters 22, 2334 (2022)。

  團隊研究發現具有空間群的二維磁性材料AX2(A:3d過度金屬元素;X:第四主族和第五主族元素)天然具有對稱性保護的各向異性DM相互作用。AX2具有中心反演對稱性破缺與S4z對稱性,這使得x與y方向上最近鄰磁性元素間的DM相互作用必然具有相同的大小與相反的手性。團隊從二維材料數據庫中篩選出了23種滿足對稱性要求的候選磁性材料,并利用團隊獨立發展的DM相互作用算法(超原胞短自旋波DMI算法與自旋螺旋態廣義布洛赫定理DMI算法),證明了這23種候選材料中均存在由對稱性保護的各向異性DM相互作用,如圖1及圖2所示。團隊同時發現隨著A類元素從V到Ni變化,材料會出現從鐵磁基態到反鐵磁基態的轉變。進一步分析發現,材料體系的交換耦合由四面體晶體場導致的能級劈裂與3d電子排布共同決定。這一結果也意味著AX2體系為反鐵磁拓撲磁結構研究提供了平臺。更進一步的,基于第一性原理計算的磁相互作用,團隊利用原子級自旋模型作微磁模擬揭示了在AX2材料家族中出現了各種新奇的拓撲手性磁結構,包括反磁斯格明子、反鐵磁反斯格明子和反鐵磁渦旋-反渦旋對,具體結果如圖3所示。這一系列拓撲磁結構均可以在無外場輔助的情況下出現。特別是在單層MnBr2中出現了直徑僅有6.8nm的孤立反鐵磁反斯格明子。這一小尺寸的孤立拓撲磁結構有希望應用于下一代具有低功耗高密度特性的存算一體自旋電子學器件中。

  綜上所述,寧波材料所團隊提出并證明了具有對稱性的單層AX2中存在晶體對稱性保護的各向異性DM相互作用,并揭示了該材料體系中存在的諸多新奇鐵磁/反鐵磁拓撲磁結構。這一類材料可以使基于拓撲磁結構的自旋電子器件具有更簡單的結構和更高的運行效率,為構建晶體對稱性保護的DM相互作用和拓撲手性磁結構提供了嶄新的思路與方法及材料儲備。

  該工作由崔琪睿博士研究生等在崔平研究員與楊洪新研究員共同指導下完成。研究工作得到中科院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目(ZDBS-LY-7021)、國家自然科學基金面上項目(11874059、12174405)、浙江省自然科學基金(LR19A040002)、浙江省尖兵計劃(2022C01053)、寧波市重大科技攻項目(2021000215)、北京凝聚態物理國家實驗室開放課題重點項目(2021000123)等的支持。

圖1 基于超原胞短自旋波DMI算法計算的AX2體系中DM相互作用

圖2 基于自旋螺旋態廣義布洛赫定理DMI算法計算的AX2體系中DM相互作用

圖3 基于第一性原理計算的磁相互作用而模擬的實空間中拓撲磁結構

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