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　　DMI的出現(xiàn)要求打破磁性材料的空間反演對稱性及強(qiáng)的自旋軌道耦合作用(spin-orbital coupling，SOC)。因此，目前實(shí)驗(yàn)上大多利用磁性薄膜和具有強(qiáng)SOC的重金屬薄膜形成異質(zhì)結(jié)來誘導(dǎo)出大的DMI，實(shí)現(xiàn)磁斯格明子態(tài)，這些材料在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在著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亟需解決的問題。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)用越來越受到重視，人們期待能在新材料中實(shí)現(xiàn)室溫穩(wěn)定可控的磁斯格明子。然而，目前已制備出的二維鐵磁材料如CrI3，VSe2和Fe3GeTe2等單層薄膜，由于其晶體結(jié)構(gòu)非對稱性約束，導(dǎo)致無法產(chǎn)生DMI，限制了其在磁斯格明子領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，探究出如何才能在二維磁性材料中誘導(dǎo)出大的DMI，并實(shí)現(xiàn)對磁斯格明子態(tài)的調(diào)控十分重要。
 

　　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(tuán)隊(duì)研究員楊洪新致力于磁斯格明子材料的研究[Nature Materials 17, 605 (2018); Nature Nanotechnology 11, 449 (2016); Physical Review Letters 124, 217202 (2020); Physical Review Letters 115, 267210 (2015); Physical Review B 101, 184401 (2020); Physical Review B 102, 094425 (2020)等]。近期，科研人員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，而且能實(shí)現(xiàn)電場調(diào)控磁斯格明子。該研究開辟了二維材料中通過多鐵性實(shí)現(xiàn)磁斯格明子的一體化電學(xué)調(diào)控新領(lǐng)域。相關(guān)研究成果以Electrically switchable Rashba-type Dzyaloshinskii-Moriya interaction and skyrmion in two-dimensional magnetoelectric multiferroics為題，以Rapid Communication的形式發(fā)表在Physical Review B上。
 

　　研究發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)的Rashba效應(yīng)，可使傳導(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。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(shí)也可實(shí)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，可在單一的二維多鐵材料中實(shí)現(xiàn)可相互轉(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。這可為利用磁斯格明子實(shí)現(xiàn)多態(tài)存儲提供了新思路。為實(shí)現(xiàn)以上構(gòu)想，科研人員研究了CrN單層薄膜等多種二維多鐵材料。通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，CrN單層薄膜中出現(xiàn)了DMI，大小達(dá)到了3.74meV/f.u.。通過分析DMI的能量來源發(fā)現(xiàn)(圖2(a))，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分裂發(fā)現(xiàn)，由簡單的Rashba模型出發(fā)計(jì)算的DMI系數(shù)和直接從第一性原理計(jì)算得到的DMI是一致的(圖2(b)～(c))。這些分析表明，CrN單層薄膜中的DMI是由體系Rashba效應(yīng)導(dǎo)致的。利用計(jì)算的DMI等磁性參量，科研人員通過微磁模擬確認(rèn)了在CrN單層薄膜可以實(shí)現(xiàn)磁斯格明子態(tài)。此外，科研人員研究了電場對CrN單層薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)調(diào)控(圖3)，發(fā)現(xiàn)通過外加電場可實(shí)現(xiàn)CrN單層薄膜的DMI大小和手性翻轉(zhuǎn)。綜合以上研究，科研人員提出了在CrN單層薄膜中可以實(shí)現(xiàn)電場對磁斯格明子的翻轉(zhuǎn)調(diào)控。
 

　　研究工作由寧波材料所助理研究員梁敬華，博士崔琪睿和楊洪新合作完成。研究工作得到中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和浙江省杰出青年科學(xué)基金等的支持，并獲得中科院寧波材料所超算平臺和天河超算對計(jì)算工作的支持。
 

　　圖1.電場調(diào)控DMI手性和磁斯格明子示意圖：(a)對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(zhuǎn)，由此實(shí)現(xiàn)DMI手性翻轉(zhuǎn)；(b)通過施加不同方向的電場和磁場可以實(shí)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)
 

　　圖2.CrN單層薄膜的Rashba型DMI：(a)CrN單層薄膜的DMI能量來源；(b)和(c)CrN單層薄膜能帶的Rashba分裂
 

　　圖3.電場對CrN單層薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)調(diào)控：(a)到(d)分別為CrN單層薄膜的起伏高度h，DMI系數(shù)D，自旋剛度A和垂直磁各向異性K隨外電場的變化關(guān)系