DMI的出現要求打破磁性材料的空間反演對稱性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結來誘導出大的DMI，實現磁斯格明子態，這些材料在實際應用過程中仍存在著如何保證磁斯格明子的室溫穩定性、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現，二維材料在自旋電子中的應用越來越受到重視，人們期待能在新材料中實現室溫穩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，由于其晶體結構非對稱性約束，導致無法產生DMI，限制了其在磁斯格明子領域的應用。因此，探究出如何才能在二維磁性材料中誘導出大的DMI，并實現對磁斯格明子態的調控十分重要。
近年來，中國科學院科學家——寧波材料技術與工程研究所量子功能材料團隊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稟的Rashba效應，不僅可以誘導出大的DMI，而且能實現電場調控磁斯格明子。該研究開辟了二維材料中通過多鐵性實現磁斯格明子的一體化電學調控新領域。相關研究成果以Electrically switchable Rashba-type Dzyaloshinskii-Moriya interaction and skyrmion in two-dimensional magnetoelectric multiferroics為題，以Rapid Communication的形式發表在Physical Review B上。
研究發現，在具有垂直電極化的二維多鐵材料中，其自發電偶極矩導致的電勢差會在薄膜中產生強的Rashba效應，可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。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一特性，可在單一的二維多鐵材料中實現可相互轉換的具有不同手性和極性的磁斯格明子態，如圖1（b）所示。這可為利用磁斯格明子實現多態存儲提供了新思路。為實現以上構想，科研人員研究了CrN單層薄膜等多種二維多鐵材料。通過第一性原理計算發現，CrN單層薄膜中出現了DMI，大小達到了3.74meV /f.u.。通過分析DMI的能量來源發現（圖2（a）），CrN單層薄膜的DMI相關能量主要來自Cr原子。進一步分析CrN單層薄膜能帶的Rashba分裂發現，由簡單的Rashba模型出發計算的DMI系數和直接從第一性原理計算得到的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效應導致的。利用計算的DMI等磁性參量，科研人員通過微磁模擬確認了在CrN單層薄膜可以實現磁斯格明子態。此外，科研人員研究了電場對CrN單層薄膜的結構和磁性性質調控（圖3），發現通過外加電場可實現CrN單層薄膜的DMI大小和手性翻轉。綜合以上研究，科研人員提出了在CrN單層薄膜中可以實現電場對磁斯格明子的翻轉調控。
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前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目、國家自然科學基金和浙江省杰出青年科學基金等的支持，并獲得中科院寧波材料所超算平臺和天河超算對計算工作的支持。
來源：中國科學院
