寧波材料所在二維自旋電子學(xué)領(lǐng)域取得系列重要進展
基于磁斯格明子的自旋電子器件在信息存儲、邏輯運算或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，是近些年來自旋電子學(xué)研究的熱點。實現(xiàn)其應(yīng)用還要解決諸如其室溫下的穩(wěn)定性、可控讀寫以及與當前磁存儲結(jié)構(gòu)兼容等諸多問題。解決上述問題的物理本質(zhì)是找到適宜的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）及垂直磁各向異性材料結(jié)構(gòu)。對于人們研究最多的鐵磁金屬/重金屬界面體系，是通過Fert-Levy機制在非磁襯底提供強SOC才能產(chǎn)生較大DMI，這要求人們多選擇5d等重金屬材料中做襯底，而重金屬的存在，一般會影響存儲器件的讀寫效率，并與當前工業(yè)界普遍使用的磁隧道結(jié)存儲結(jié)構(gòu)不兼容，使制造工藝復(fù)雜化。此外，人們還希望可以進一步突破界面的限制，即在低維本征磁性體系中找到具有拓撲保護的手性磁結(jié)構(gòu)。然而根據(jù)Mermin-Wanger定理，由于熱擾動，鐵磁長程序無法存在于一個二維各向同性的海森堡體系中。在2017年，兩種二維鐵磁半導(dǎo)體CrI3和CrGeTe3被相繼報道（Nature546, 265 (2017)；Nature546, 270 (2017)）。二維鐵磁性出現(xiàn)的原因是這兩種材料中均存在垂直磁各向異性，從而打破了Mermin-Wanger定理。并且通過增強材料的垂直磁各向異性，更有利于鐵磁材料被應(yīng)用于具有高存儲密度、低功耗、高熱穩(wěn)定性的下一代自旋電子學(xué)器件之中。因此尋找具有大的垂直磁各向異性的材料，或者是可以有效提升材料垂直磁各向異性的方法，成為了自旋電子學(xué)中的一個研究熱點。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所量子功能材料團隊博士生崔琪睿、梁敬華助理研究員、楊洪新研究員與法國Spintec/CNRS教授Mairbek Chshiev以及諾獎得主CNRS/Thales教授AlbertFert，合肥強磁場中心教授杜海峰等合作者針對上述問題，通過結(jié)合第一性原理計算，微磁模擬和緊束縛模型開展了一系列工作。首先，梁敬華助理研究員與楊洪新研究員等提出可以通過對二維室溫鐵磁材料MnSe2（Nano Lett.18, 3125(2018)）構(gòu)建Janus結(jié)構(gòu)（MnSeTe、MnSTe、MnSSe），打破材料原有的空間反演對稱來實現(xiàn)巨大的DMI（圖1(a)），該DMI的大小可以與傳統(tǒng)鐵磁金屬/重金屬界面相比擬。研究人員通過對原子分辨的自旋軌道耦合能量分析，發(fā)現(xiàn)巨大的DMI源于Fert-Levy機制；利用蒙特卡洛算法對該材料體系進行了微磁模擬，發(fā)現(xiàn)在零場下MnSeTe與MnSTe中出現(xiàn)了手性磁疇壁，并通過增加外磁場的方式誘導(dǎo)出了磁斯格明子（圖1(b)）。
本工作以題為“Very large Dzyaloshinskii-Moriya interaction in two-dimensional Janus manganese dichalcogenides and its application to realize skyrmion states”的論文以Editors’Suggestion的形式發(fā)表于Phys.Rev.B101,184401(2020)。
更進一步，崔琪睿、楊洪新研究員和崔平研究員等人，通過第一性原理計算與微磁模擬，提出基于CrTe2（Nano Res. (2020), doi:10.1007/s12274-020-3021-4）這一少層室溫鐵磁材料構(gòu)建的CrSTe和CrSeTe的Janus結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)與MnSTe和MnSeTe中類似的磁疇結(jié)構(gòu)，且通過外磁場可以誘導(dǎo)出磁斯格明子。更有趣的是，研究人員利用應(yīng)力進一步實現(xiàn)了鐵磁性的顯著增強與磁疇結(jié)構(gòu)的連續(xù)調(diào)控（圖1(c)），這為基于二維本征鐵磁材料的手性磁結(jié)構(gòu)調(diào)控提供了一個新思路。
該工作以題為“Strain-tunable ferromagnetism and chiral spin textures in two-dimensional Janus chromium dichalcogenides”的論文發(fā)表于Phys.Rev.B 102, 094425 (2020)。
單層碘化鎳是一種理論預(yù)言的新型二維鐵磁半導(dǎo)體，具有相對高的居里溫度（＞120K）。崔琪睿博士生，楊洪新研究員和崔平研究員等人通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，通過減小石墨烯/碘化鎳范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的層間距，碘化鎳的垂直磁各向異性被顯著增強（圖2(a)）。并且，研究人員通過對原子分辨的磁各向異性能、軌道分辨的磁各向異性能、電子態(tài)密度的分析，結(jié)合二階微擾理論，解析了該磁各向異性增強的物理圖像。即當層間距減少，石墨烯可以有效改變石墨烯/碘化鎳異質(zhì)結(jié)界面處碘原子的電子態(tài)。碘原子px，py，pz電子態(tài)的變化，導(dǎo)致了碘化鎳垂直磁各向異性的顯著提升。更有趣的是，研究人員通過計算異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)并結(jié)合緊束縛模型，發(fā)現(xiàn)在層間距離減少的同時，由于碘化鎳的磁近鄰作用，石墨烯中出現(xiàn)了量子反?；魻栃?yīng)，即單一自旋的電子以無耗散的形式在石墨烯邊界上移動。圖2(b)給出了層間距減少0.7
時，反?；魻栯妼?dǎo)的數(shù)值。
該工作以題為“Giant enhancement of perpendicular magnetic anisotropy and induced quantum anomalous Hall effect in graphene/NiI2 heterostructures via tuning the van der Waals interlayer distance”的論文發(fā)表于Phys.Rev.B101,214439(2020)。
該系列工作得到了中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創(chuàng)新項目（ZDBS-LY-7021）、國家自然科學(xué)基金（11874059）、浙江省自然科學(xué)基金（LR19A040002）、寧波3315項目、歐洲Graphene Flagship等項目的支持。同時感謝中科院寧波材料所超算平臺對計算工作的大力支持。
圖1 (a)MnSeTe、MnSTe、MnSSe中的面內(nèi)DMI分量d//；(b)MnSeTe和MnSTe實空間中的磁結(jié)構(gòu)；(c)在不同應(yīng)力和外磁場下CrSeTe實空間中的磁結(jié)構(gòu)變化以及CrSeTe和CrSTe在不同應(yīng)力下的居里溫度
圖2 (a)石墨烯/碘化鎳異質(zhì)結(jié)的垂直磁各向異性隨范德瓦爾斯層間距離減少而顯著增強；(b)范德瓦爾斯層間距減少0.7
時，石墨烯/碘化鎳異質(zhì)結(jié)中的反?；魻栯妼?dǎo)
?。{米實驗室 朱英梅 崔琪睿）