四势阱铁电材料对CrI3拓扑磁结构的非易失多态调控

在当今迅速发展的信息技术领域，数据存储和处理技术的进步对于实现高性能电子设备至关重要。这也激发了研究人员探索具有更高存储密度、更快操作速度、更低能耗、非易失性和多功能特性的器件。二维磁性材料因其独特的物理性质成为焦点，包括室温铁磁性、磁电耦合、自旋玻璃行为以及特殊的拓扑自旋结构，为探索基础物理现象和开发未来信息技术提供了新的可能性。构筑铁电与铁磁材料的异质结，可能通过改变铁电极化来非易失调控磁性。然而，由于磁结构实际上是在交换相互作用、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）等多种相互作用下竞争和协同产生的，因此实现目标磁结构的调控仍然面临挑战。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心杜世萱研究团队利用密度泛函理论计算和蒙特卡洛模拟，提出了构建四势阱铁电材料和铁磁材料的多铁性异质结，实现了对单层CrI₃的拓扑磁结构的非易失和多态调控。

研究团队首先通过高通量计算筛选出具有四势阱铁电性质的潜在二维铁电材料，包括单层Pt₂Sn₂Se₆、Pt₂Sn₂Te₆、Pd₂Sn₂Se₆和Pd₂Sn₂Te₆。这些材料由于Sn原子的位移而展现出独特的四势阱特性（图1）。随后，研究团队构建了铁电Pt₂Sn₂Te₆和铁磁CrI₃的异质结构，并成功调节界面耦合诱导的DMI，产生了多种磁态，包括Bloch型斯格明子和铁磁性，以及一种新发现的拓扑磁结构（图2-3）。研究结果表明，磁性斯格明子的产生可以用Fert-Levy机制解释（图3）。此外，通过改变铁电极化状态和层间滑移，可以实现对磁性结构的可逆调控，包括斯格明子的生成、擦除和操纵（图4）。这些发现不仅为构建基于斯格明子的二维自旋电子设备提供了新的途径，也为多功能设备的设计与集成磁性功能提供了新的策略。这项研究为未来低能耗、高集成度和多功能自旋电子设备的发展开辟了新的前景。通过这一方法，科学家们有望在未来实现更高效、更可靠的数据存储和处理技术，从而推动信息技术的进一步发展。

以上工作以"Nonvolatile Multistate Manipulation of Topological Magnetism in Monolayer CrI₃ through Quadruple-Well Ferroelectric Materials"为题发表于Nano Letters 2024 24 (7), 2345-2351，博士研究生李佩璇为第一作者，杜世萱研究员和潘金波副研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金(61888102, 52102193, 52272172, 11974045)，国家自然科学基金重大项目(92163206)，国家重点研发计划(2021YFA1201501)，科技部重点研发项目(2022YFA1204100)等项目的支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c04799

图1：四势阱铁电材料搜索流程

图2：CrI₃/Pt₂Sn₂Te₆多铁异质结结构、能带及磁结构

图3：CrI₃/Pt₂Sn₂Te₆多铁异质结（AD堆垛，+LP极化）的可能磁结构、相图及DMI起源

图4：CrI₃/Pt₂Sn₂Te₆多铁异质结磁结构的可逆多态调控