磁斯格明子是一種非共線磁渦旋結(jié)構(gòu)并受拓?fù)浔Ｗo(hù)的準(zhǔn)粒子，因其可以做到納米尺寸、非易失且易驅(qū)動從而被認(rèn)為在下一代自選電子學(xué)器件如信息存儲、邏輯運算或者神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等領(lǐng)域?qū)缪葜匾巧?/span>

磁斯格明子的形成通常是由使磁矩傾向于垂直排列的反對稱交換耦合（Dzyaloshinskii-Moriya interaction，DMI）引起的。DMI同時也是凝聚態(tài)物理等基礎(chǔ)科學(xué)研究中的一個重要物理相互作用，所以DMI的研究和磁斯格明子的研究已然成為當(dāng)前自旋電子學(xué)領(lǐng)域，同時也是量子材料研究熱點。

DMI的出現(xiàn)要求打破磁性材料的空間反演對稱性以及強的自旋軌道耦合作用（spin-orbital coupling，SOC）。因此目前實驗上大多利用磁性薄膜和具有強SOC的重金屬薄膜形成異質(zhì)結(jié)來誘導(dǎo)出大的DMI，從而實現(xiàn)磁斯格明子態(tài)。但這些材料在實際應(yīng)用過程中仍有諸如如何保證磁斯格明子的室溫穩(wěn)定性、可控讀寫和高密度等許多問題亟需解決。

另一方面，近年來隨著二維鐵磁性薄膜的發(fā)現(xiàn)，二維材料在自旋電子中的應(yīng)用越來越受到人們的重視，人們期待能在這些新材料中實現(xiàn)室溫穩(wěn)定可控的磁斯格明子。但是目前已制備出的二維鐵磁材料如CrI3，VSe2和Fe3GeTe2等單層薄膜，由于它們晶體結(jié)構(gòu)對稱性約束，導(dǎo)致它們都不能產(chǎn)生DMI，這就限制了它們在磁斯格明子領(lǐng)域的應(yīng)用。為此人們需要探究如何才能在二維磁性材料中誘導(dǎo)出大的DMI，并且實現(xiàn)對磁斯格明子態(tài)的調(diào)控。

近年來，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楊洪新研究員一直致力于磁斯格明子材料的研究（Nature Materials 17, 605 (2018); Nature Nanotechnology 11, 449 (2016); Phys. Rev. Lett. 124, 217202 (2020); Phys. Rev. Lett. 115, 267210 (2015); Phys. Rev. B 101, 184401 (2020); Physical Review B 102, 094425 (2020)等）。近期，該團隊提出利用二維多鐵材料內(nèi)稟的Rashba效應(yīng)，不僅可以誘導(dǎo)出大的DMI，還能實現(xiàn)人們一直尋求的電場調(diào)控磁斯格明子。該工作開辟了二維材料中通過多鐵性實現(xiàn)磁斯格明子的一體化電學(xué)調(diào)控新領(lǐng)域，以題為“Electrically switchable Rashba-type Dzyaloshinskii-Moriya interaction and skyrmion in two-dimensional magnetoelectric multiferroics”的論文以Rapid Communication形式發(fā)表在Phys. Rev. B 102, 220409(R) (2020)。

該團隊注意到在具有垂直電極化的二維多鐵材料中，其自發(fā)電偶極矩導(dǎo)致的電勢差會在薄膜中產(chǎn)生強的Rashba效應(yīng)，由此可以使傳導(dǎo)電子在磁性原子間傳遞DMI，而不要額外的重金屬元素來提高材料的SOC。并且利用二維多鐵材料的磁電耦合，通過外加電場使電極化矢量翻轉(zhuǎn)的同時也可實現(xiàn)DMI手性的翻轉(zhuǎn)，如圖1（a）所示。利用二維多鐵材料的這一特性，可以在單一的二維多鐵材料中實現(xiàn)可以相互轉(zhuǎn)換的具有不同手性和極性的磁斯格明子態(tài)，如圖1（b）所示。

圖1. 電場調(diào)控DMI手性和磁斯格明子示意圖

這可為利用磁斯格明子實現(xiàn)多態(tài)存儲提供新的思路。為了實現(xiàn)以上的構(gòu)想，該團隊研究了CrN單層薄膜等多種二維多鐵材料。他們首先通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)CrN單層薄膜中的確出現(xiàn)了DMI并且其大小達(dá)到了3.74meV /f.u.。通過分析DMI的能量來源，如圖2（a）。他們發(fā)現(xiàn)CrN單層薄膜的DMI相關(guān)能量主要來自Cr原子，進(jìn)一步分析CrN單層薄膜能帶的Rashba分裂（圖2（b）～（c）），他們分析發(fā)現(xiàn)由簡單的Rashba模型出發(fā)計算的DMI系數(shù)和直接從第一性原理計算得到的DMI是一致的。

圖2. CrN單層薄膜的Rashba型DMI

這兩方面的分析表明CrN單層薄膜中的DMI是由體系Rashba效應(yīng)導(dǎo)致的。利用計算的DMI等磁性參量，他們通過微磁模擬確認(rèn)了在CrN單層薄膜可以實現(xiàn)磁斯格明子態(tài)。最后他們研究了電場對CrN單層薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)調(diào)控（圖3），并發(fā)現(xiàn)通過外加電場的確可以實現(xiàn)CrN單層薄膜的DMI大小和手性翻轉(zhuǎn)。綜合以上研究，研究者們提出了在CrN單層薄膜中可以實現(xiàn)電場對磁斯格明子的翻轉(zhuǎn)調(diào)控。

該工作由梁敬華助理研究員，崔琪睿博士和楊洪新研究員合作完成。該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）、浙江省杰出青年科學(xué)基金（LR19A040002）等項目支持。同時感謝中科院寧波材料所超算平臺和天河超算對計算工作的支持。

文章來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所