宁波材料所-杨洪新团队在二维自旋电子学领域取得系列进展

来源：科匠学术

基于磁斯格明子的自旋电子器件在信息存储、逻辑运算或者神经网络技术等领域有着广阔的应用前景，是近些年来自旋电子学研究的热点。实现其应用还要解决诸如其室温下的稳定性、可控读写以及与当前磁存储结构兼容等诸多问题。解决上述问题的物理本质是找到适宜的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）及垂直磁各向异性材料结构。对于人们研究最多的铁磁金属/重金属界面体系，是通过Fert-Levy机制在非磁衬底提供强SOC才能产生较大DMI，这要求人们多选择5d等重金属材料中做衬底，而重金属的存在，一般会影响存储器件的读写效率，并与当前工业界普遍使用的磁隧道结存储结构不兼容，使制造工艺复杂化。此外，人们还希望可以进一步突破界面的限制，即在低维本征磁性体系中找到具有拓扑保护的手性磁结构。然而根据Mermin-Wanger定理，由于热扰动，铁磁长程序无法存在于一个二维各向同性的海森堡体系中。在2017年，两种二维铁磁半导体CrI3和CrGeTe3被相继报道（Nature 546, 265 (2017)；Nature 546, 270 (2017)）。二维铁磁性出现的原因是这两种材料中均存在垂直磁各向异性，从而打破了Mermin-Wanger定理。并且通过增强材料的垂直磁各向异性，更有利于铁磁材料被应用于具有高存储密度、低功耗、高热稳定性的下一代自旋电子学器件之中。因此寻找具有大的垂直磁各向异性的材料，或者是可以有效提升材料垂直磁各向异性的方法，成为了自旋电子学中的一个研究热点。

图1. (a) MnSeTe、MnSTe、MnSSe中的面内DMI分量d//；(b) MnSeTe和MnSTe实空间中的磁结构；(c) 在不同应力和外磁场下CrSeTe实空间中的磁结构变化以及CrSeTe和CrSTe在不同应力下的居里温度。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所量子功能材料团队博士生崔琪睿、梁敬华助理研究员、杨洪新研究员与法国Spintec/CNRS教授Mairbek Chshiev以及诺奖得主CNRS/Thales教授AlbertFert，合肥强磁场中心教授杜海峰等合作者针对上述问题，通过结合第一性原理计算，微磁模拟和紧束缚模型开展了一系列工作。首先，梁敬华助理研究员与杨洪新研究员等提出可以通过对二维室温铁磁材料MnSe2（Nano Lett.18, 3125(2018)）构建Janus结构（MnSeTe、MnSTe、MnSSe），打破材料原有的空间反演对称来实现巨大的DMI（图1a），该DMI的大小可以与传统铁磁金属/重金属界面相比拟。研究人员通过对原子分辨的自旋轨道耦合能量分析，发现巨大的DMI源于Fert-Levy机制；利用蒙特卡洛算法对该材料体系进行了微磁模拟，发现在零场下MnSeTe与MnSTe中出现了手性磁畴壁，并通过增加外磁场的方式诱导出了磁斯格明子（图1b）。

本工作以题为“Very large Dzyaloshinskii-Moriya interaction in two-dimensional Janus manganese dichalcogenides and its application to realize skyrmion states”的论文以Editors’Suggestion的形式发表于Physical Review B 101,184401 (2020)。

更进一步，崔琪睿、杨洪新研究员和崔平研究员等人，通过第一性原理计算与微磁模拟，提出基于CrTe2（Nano Res. (2020), doi:10.1007/s12274-020-3021-4）这一少层室温铁磁材料构建的CrSTe和CrSeTe的Janus结构，可以实现与MnSTe和MnSeTe中类似的磁畴结构，且通过外磁场可以诱导出磁斯格明子。更有趣的是，研究人员利用应力进一步实现了铁磁性的显著增强与磁畴结构的连续调控（图1c），这为基于二维本征铁磁材料的手性磁结构调控提供了一个新思路。

该工作以题为“Strain-tunable ferromagnetism and chiral spin textures in two-dimensional Janus chromium dichalcogenides”的论文发表于Physical Review B 102, 094425 (2020)。

图2. (a) 石墨烯/碘化镍异质结的垂直磁各向异性随范德瓦尔斯层间距离减少而显著增强；(b) 范德瓦尔斯层间距减少0.7 Å时，石墨烯/碘化镍异质结中的反常霍尔电导。

单层碘化镍是一种理论预言的新型二维铁磁半导体，具有相对高的居里温度（＞120K）。崔琪睿博士生，杨洪新研究员和崔平研究员等人通过第一性原理计算发现，通过减小石墨烯/碘化镍范德瓦尔斯异质结的层间距，碘化镍的垂直磁各向异性被显著增强（图2a）。并且，研究人员通过对原子分辨的磁各向异性能、轨道分辨的磁各向异性能、电子态密度的分析，结合二阶微扰理论，解析了该磁各向异性增强的物理图像。即当层间距减少，石墨烯可以有效改变石墨烯/碘化镍异质结界面处碘原子的电子态。碘原子px，py，pz电子态的变化，导致了碘化镍垂直磁各向异性的显著提升。更有趣的是，研究人员通过计算异质结能带结构并结合紧束缚模型，发现在层间距离减少的同时，由于碘化镍的磁近邻作用，石墨烯中出现了量子反常霍尔效应，即单一自旋的电子以无耗散的形式在石墨烯边界上移动。图2(b)给出了层间距减少0.7 Å时，反常霍尔电导的数值。