界面调控二维拓扑磁结构及其动力学
2024年11月21日
磁斯格明子是一种具有拓扑保护的实空间自旋结构，其自旋排列呈现出旋转对称的涡漩状结构。由于其拓扑保护、非易失、小尺寸、电流密度驱动等特性，在新型赛道存储、逻辑计算、仿神经元计算等领域具有应用前景。在这些应用场景中需要能对磁斯格明子进行写入/擦除、传输和读取。当前该领域的关键科学问题有：如何以低能耗、精准的方式产生（写入）和擦除斯格明子？如何实现其无损、高速且低耗的稳定传输？
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针对斯格明子精确、低耗写入/擦除，以及无损传输等难题开展了理论计算研究，并取得了重要进展。他们利用界面调控策略，在单层CrI3中实现了拓扑磁结构的非易失、多态写入/擦除，在Sr(Ba)V2Se4中实现零拓扑荷铁磁斯格明子的产生和定向直线传输。
研究团队首先将单层CrI3与理论预测的具有四势阱铁电性质和强自旋轨道耦合的Pt2Sn2Te6构建多铁异质结。通过层间滑移和铁电极化翻转，调控层间轨道杂化和对称性。由此导致的磁交换相互作用、DM相互作用的改变，使得CrI3中产生了多种磁态，包括Bloch型斯格明子、面内铁磁、面外铁磁（图1）。研究结果表明，界面处I原子的强自旋轨道耦合对拓扑磁结构的调控起关键作用，可用Fert-Levy机制解释（图2）。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、擦除和不同磁态间的可逆操纵（图3）。
无损、高速且低耗的稳定传输是磁斯格明子应用于赛道存储的关键，而斯格明子霍尔效应（SkHE）使得磁斯格明子在赛道中横向漂移，进而在赛道边界湮灭或者严重堵塞，因此，消除SkHE是其应用于赛道存储的挑战。研究团队提出了一种构筑无本征SkHE铁磁斯格明子的策略。该策略利用双磁性原子层体系中面内铁磁、磁交换相互作用、DM相互作用和磁晶各向异性的协同作用，产生层间双半子/四半子；上下磁性层间的中心反演或镜面对称导致上下层面内DM相互作用的反向，进而使得上下层拓扑磁结构呈现相反的自旋手性、极性及拓扑电荷，实现净拓扑荷的归零，从而消除SkHE（图4）。通过在双层VSe2体系中嵌入Sr或Ba元素，成功获得了10个拓扑电荷数为零的新型拓扑磁结构（图5）。进一步的微磁学模拟验证了该设计策略的可行性。研究还发现该类层间耦合双半子具有比层间耦合反铁磁斯格明子的驱动电流阈值小一个量级（~ 0.01
1010 A/m2），有望实现斯格明子的低能耗、高速、定向、无损的传输（图6）。
这些发现为精准写入、擦除斯格明子，磁结构间非易失多态调控，以及实现斯格明子无损、高速传输提供了新的策略, 为未来低能耗、高集成度和多功能自旋电子器件的发展开辟了新的前景。以上工作以"Nonvolatile Multistate Manipulation of Topological Magnetism in Monolayer CrI3 through Quadruple-Well Ferroelectric Materials"以及"Eliminating Skyrmion Hall Effect in Ferromagnetic Skyrmions"为题发表于Nano Letters 2024 24 (7), 2345-2351/ Nano Letters 2024 10.1021/acs.nanolett.4c02060，博士研究生李佩璇、张旭丹分别为两篇论文的第一作者，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(62488201, 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
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02060
磁斯格明子是一种具有拓扑保护的实空间自旋结构，其自旋排列呈现出旋转对称的涡漩状结构。由于其拓扑保护、非易失、小尺寸、电流密度驱动等特性，在新型赛道存储、逻辑计算、仿神经元计算等领域具有应用前景。在这些应用场景中需要能对磁斯格明子进行写入/擦除、传输和读取。当前该领域的关键科学问题有：如何以低能耗、精准的方式产生（写入）和擦除斯格明子？如何实现其无损、高速且低耗的稳定传输？
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针对斯格明子精确、低耗写入/擦除，以及无损传输等难题开展了理论计算研究，并取得了重要进展。他们利用界面调控策略，在单层CrI3中实现了拓扑磁结构的非易失、多态写入/擦除，在Sr(Ba)V2Se4中实现零拓扑荷铁磁斯格明子的产生和定向直线传输。
研究团队首先将单层CrI3与理论预测的具有四势阱铁电性质和强自旋轨道耦合的Pt2Sn2Te6构建多铁异质结。通过层间滑移和铁电极化翻转，调控层间轨道杂化和对称性。由此导致的磁交换相互作用、DM相互作用的改变，使得CrI3中产生了多种磁态，包括Bloch型斯格明子、面内铁磁、面外铁磁（图1）。研究结果表明，界面处I原子的强自旋轨道耦合对拓扑磁结构的调控起关键作用，可用Fert-Levy机制解释（图2）。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、擦除和不同磁态间的可逆操纵（图3）。
无损、高速且低耗的稳定传输是磁斯格明子应用于赛道存储的关键，而斯格明子霍尔效应（SkHE）使得磁斯格明子在赛道中横向漂移，进而在赛道边界湮灭或者严重堵塞，因此，消除SkHE是其应用于赛道存储的挑战。研究团队提出了一种构筑无本征SkHE铁磁斯格明子的策略。该策略利用双磁性原子层体系中面内铁磁、磁交换相互作用、DM相互作用和磁晶各向异性的协同作用，产生层间双半子/四半子；上下磁性层间的中心反演或镜面对称导致上下层面内DM相互作用的反向，进而使得上下层拓扑磁结构呈现相反的自旋手性、极性及拓扑电荷，实现净拓扑荷的归零，从而消除SkHE（图4）。通过在双层VSe2体系中嵌入Sr或Ba元素，成功获得了10个拓扑电荷数为零的新型拓扑磁结构（图5）。进一步的微磁学模拟验证了该设计策略的可行性。研究还发现该类层间耦合双半子具有比层间耦合反铁磁斯格明子的驱动电流阈值小一个量级（~ 0.01
1010 A/m2），有望实现斯格明子的低能耗、高速、定向、无损的传输（图6）。这些发现为精准写入、擦除斯格明子，磁结构间非易失多态调控，以及实现斯格明子无损、高速传输提供了新的策略, 为未来低能耗、高集成度和多功能自旋电子器件的发展开辟了新的前景。以上工作以"Nonvolatile Multistate Manipulation of Topological Magnetism in Monolayer CrI3 through Quadruple-Well Ferroelectric Materials"以及"Eliminating Skyrmion Hall Effect in Ferromagnetic Skyrmions"为题发表于Nano Letters 2024 24 (7), 2345-2351/ Nano Letters 2024 10.1021/acs.nanolett.4c02060，博士研究生李佩璇、张旭丹分别为两篇论文的第一作者，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(62488201, 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
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02060
图1.CrI3/Pt2Sn2Te6多铁异质结在不同极化状态下的基态几何结构及磁结构
图2.CrI3/Pt2Sn2Te6多铁异质结（AD堆垛，+LP极化）的可能磁结构、随温度和磁场变化的磁结构相图及DMI起源
图3.CrI3/Pt2Sn2Te6多铁异质结磁结构在极化翻转、层间滑移作用下的可逆多态调控
图4.双磁性原子层铁磁体中无SkHE铁磁斯格明子的设计策略。
图5.MV2Se4单层 (M = Sr, Ba)的结构和10种新型的零拓扑荷拓扑磁结构
图6.铁磁耦合层间双半子和反铁磁耦合层间双斯格明子在电流驱动下的运动