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)網絡技術等領域有著(zhe)廣闊的應用前景，是近些年來自旋電子學(xué)研究的熱點。實現其應用還(hái)要解決諸如其室溫下的穩定性、可控讀寫以及與當前磁存儲結構兼容等諸多問題。解決上述問題的物理本質是找到适宜的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）及垂直磁各向(xiàng)異性材料結構。對(duì)于人們研究最多的鐵磁金屬/重金屬界面(miàn)體系，是通過(guò)Fert-Levy機制在非磁襯底提供強SOC才能(néng)産生較大DMI，這(zhè)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，并與當前工業界普遍使用的磁隧道(dào)結存儲結構不兼容，使制造工藝複雜化。此外，人們還(hái)希望可以進(jìn)一步突破界面(miàn)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構。然而根據Mermin-Wanger定理，由于熱擾動，鐵磁長(cháng)程序無法存在于一個二維各向(xiàng)同性的海森堡體系中。在2017年，兩(liǎng)種(zhǒng)二維鐵磁半導體CrI3和CrGeTe3被(bèi)相繼報道(dào)（Nature546, 265 (2017)；Nature546, 270 (2017)）。二維鐵磁性出現的原因是這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)材料中均存在垂直磁各向(xiàng)異性，從而打破了Mermin-Wanger定理。并且通過(guò)增強材料的垂直磁各向(xiàng)異性，更有利于鐵磁材料被(bèi)應用于具有高存儲密度、低功耗、高熱穩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(xiàng)異性的材料，或者是可以有效提升材料垂直磁各向(xiàng)異性的方法，成(chéng)爲了自旋電子學(xué)中的一個研究熱點。
中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所量子功能(néng)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(guó)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(duì)上述問題，通過(guò)結合第一性原理計算，微磁模拟和緊束縛模型開(kāi)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(guò)對(duì)二維室溫鐵磁材料MnSe2（Nano Lett.18, 3125(2018)）構建Janus結構（MnSeTe、MnSTe、MnSSe），打破材料原有的空間反演對(duì)稱來實現巨大的DMI（圖1(a)），該DMI的大小可以與傳統鐵磁金屬/重金屬界面(miàn)相比拟。研究人員通過(guò)對(duì)原子分辨的自旋軌道(dào)耦合能(néng)量分析，發(fā)現巨大的DMI源于Fert-Levy機制；利用蒙特卡洛算法對(duì)該材料體系進(jìn)行了微磁模拟，發(fā)現在零場下MnSeTe與MnSTe中出現了手性磁疇壁，并通過(guò)增加外磁場的方式誘導出了磁斯格明子（圖1(b)）。
本工作以題爲“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(jìn)一步，崔琪睿、楊洪新研究員和崔平研究員等人，通過(guò)第一性原理計算與微磁模拟，提出基于CrTe2（Nano Res. (2020), doi:10.1007/s12274-020-3021-4）這(zhè)一少層室溫鐵磁材料構建的CrSTe和CrSeTe的Janus結構，可以實現與MnSTe和MnSeTe中類似的磁疇結構，且通過(guò)外磁場可以誘導出磁斯格明子。更有趣的是，研究人員利用應力進(jìn)一步實現了鐵磁性的顯著增強與磁疇結構的連續調控（圖1(c)），這(zhè)爲基于二維本征鐵磁材料的手性磁結構調控提供了一個新思路。
該工作以題爲“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(zhǒng)理論預言的新型二維鐵磁半導體，具有相對(duì)高的居裡(lǐ)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(guò)第一性原理計算發(fā)現，通過(guò)減小石墨烯/碘化鎳範德瓦爾斯異質結的層間距，碘化鎳的垂直磁各向(xiàng)異性被(bèi)顯著增強（圖2(a)）。并且，研究人員通過(guò)對(duì)原子分辨的磁各向(xiàng)異性能(néng)、軌道(dào)分辨的磁各向(xiàng)異性能(néng)、電子态密度的分析，結合二階微擾理論，解析了該磁各向(xiàng)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/碘化鎳異質結界面(miàn)處碘原子的電子态。碘原子px，py，pz電子态的變化，導緻了碘化鎳垂直磁各向(xiàng)異性的顯著提升。更有趣的是，研究人員通過(guò)計算異質結能(néng)帶結構并結合緊束縛模型，發(fā)現在層間距離減少的同時，由于碘化鎳的磁近鄰作用，石墨烯中出現了量子反常霍爾效應，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，反常霍爾電導的數值。
該工作以題爲“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前沿科學(xué)研究計劃“從0到1”原始創新項目（ZDBS-LY-7021）、國(guó)家自然科學(xué)基金（11874059）、浙江省自然科學(xué)基金（LR19A040002）、甯波3315項目、歐洲Graphene Flagship等項目的支持。同時感謝中科院甯波材料所超算平台對(duì)計算工作的大力支持。
圖1 (a)MnSeTe、MnSTe、MnSSe中的面(miàn)内DMI分量d//；(b)MnSeTe和MnSTe實空間中的磁結構；(c)在不同應力和外磁場下CrSeTe實空間中的磁結構變化以及CrSeTe和CrSTe在不同應力下的居裡(lǐ)溫度
圖2 (a)石墨烯/碘化鎳異質結的垂直磁各向(xiàng)異性随範德瓦爾斯層間距離減少而顯著增強；(b)範德瓦爾斯層間距減少0.7時，石墨烯/碘化鎳異質結中的反常霍爾電導
（納米實驗室 朱英梅 崔琪睿）
