磁斯格明子是一種(zhǒng)非共線磁渦旋結構并受拓撲保護的準粒子。磁斯格明子因其可以做到納米尺寸、非易失且易驅動從而被(bèi)認爲在下一代自旋電子學(xué)器件如信息存儲、邏輯運算或者神經(jīng)網絡技術等領域將(jiāng)會扮演重要角色。磁斯格明子的形成(chéng)通常是由使磁矩傾向(xiàng)于垂直排列的反對(duì)稱交換耦合（Dzyaloshinskii-Moriya interaction，DMI）引起(qǐ)的。DMI同時也是凝聚态物理等基礎科學(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(chéng)爲當前自旋電子學(xué)領域，同時也是量子材料研究熱點。
DMI的出現要求打破磁性材料的空間反演對(duì)稱性以及強的自旋軌道(dào)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(chéng)異質結來誘導出大的DMI，從而實現磁斯格明子态。但這(zhè)些材料在實際應用過(guò)程中仍有諸如如何保證磁斯格明子的室溫穩定性、可控讀寫和高密度等許多問題亟需解決。另一方面(miàn)，近年來随著(zhe)二維鐵磁性薄膜的發(fā)現，二維材料在自旋電子中的應用越來越受到人們的重視，人們期待能(néng)在這(zhè)些新材料中實現室溫穩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，由于它們晶體結構對(duì)稱性約束，導緻它們都(dōu)不能(néng)産生DMI，這(zhè)就限制了它們在磁斯格明子領域的應用。爲此人們需要探究如何才能(néng)在二維磁性材料中誘導出大的DMI，并且實現對(duì)磁斯格明子态的調控。
近年來，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所量子功能(néng)材料團隊楊洪新研究員一直緻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内禀的Rashba效應，不僅可以誘導出大的DMI，還(hái)能(néng)實現人們一直尋求的電場調控磁斯格明子。該工作開(kāi)辟了二維材料中通過(guò)多鐵性實現磁斯格明子的一體化電學(xué)調控新領域，以題爲“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)電偶極矩導緻的電勢差會在薄膜中産生強的Rashba效應，由此可以使傳導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(guò)外加電場使電極化矢量翻轉的同時也可實現DMI手性的翻轉，如圖1（a）所示。利用二維多鐵材料的這(zhè)一特性，可以在單一的二維多鐵材料中實現可以相互轉換的具有不同手性和極性的磁斯格明子态，如圖1（b）所示。這(zhè)可爲利用磁斯格明子實現多态存儲提供新的思路。爲了實現以上的構想，該團隊研究了CrN單層薄膜等多種(zhǒng)二維多鐵材料。他們首先通過(guò)第一性原理計算發(fā)現CrN單層薄膜中的确出現了DMI并且其大小達到了3.74meV 
/f.u.。通過(guò)分析DMI的能(néng)量來源，如圖2（a），他們發(fā)現CrN單層薄膜的DMI相關能(néng)量主要來自Cr原子。進(jìn)一步分析CrN單層薄膜能(néng)帶的Rashba分裂（圖2（b）～（c）），他們分析發(fā)現由簡單的Rashba模型出發(fā)計算的DMI系數和直接從第一性原理計算得到的DMI是一緻的。這(zhè)兩(liǎng)方面(miàn)的分析表明CrN單層薄膜中的DMI是由體系Rashba效應導緻的。利用計算的DMI等磁性參量，他們通過(guò)微磁模拟确認了在CrN單層薄膜可以實現磁斯格明子态。最後(hòu)他們研究了電場對(duì)CrN單層薄膜的結構和磁性性質調控（圖3），并發(fā)現通過(guò)外加電場的确可以實現CrN單層薄膜的DMI大小和手性翻轉。綜合以上研究，研究者們提出了在CrN單層薄膜中可以實現電場對(duì)磁斯格明子的翻轉調控。
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(chéng)。該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）、浙江省傑出青年科學(xué)基金（LR19A040002）等項目支持。同時感謝中科院甯波材料所超算平台和天河超算對(duì)計算工作的支持。
圖1 電場調控DMI手性和磁斯格明子示意圖：（a）對(duì)二維多鐵薄膜施加垂直薄膜的電場使其電極化矢量發(fā)生翻轉，由此實現DMI手性翻轉；（b）通過(guò)施加不同方向(xiàng)的電場和磁場可以實現可以相互轉換的具有不同手性和極性的磁斯格明子态
圖2 CrN單層薄膜的Rashba型DMI：（a）CrN單層薄膜的DMI能(néng)量來源；（b）和（c）CrN單層薄膜能(néng)帶的Rashba分裂
圖3 電場對(duì)CrN單層薄膜的結構和磁性性質調控：（a）到（d）分别爲CrN單層薄膜的起(qǐ)伏高度h，DMI系數D，自旋剛度A和垂直磁各向(xiàng)異性K随外電場的變化關系
（納米實驗室量子功能(néng)材料團隊 梁敬華 尕永龍）
