作者:朱汉斌 来源:中国科学报 发布时间:2024/4/30 21:13:58
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科学家实现对磁斯格明子产生与湮灭的操控

 

近日,中山大学物理学院副教授侯玉升课题组与美国加州大学欧文分校物理与天文系教授Ruqian Wu合作在磁斯格明子研究中取得重要进展。他们在国际上首次提出利用磁各向异性的可控性调控本征磁斯格明子态与铁磁态之间的转换,从而实现对磁斯格明子产生与湮灭的操控。相关成果以封面文章的形式发表于《纳米快报》(Nano Letters)。

磁斯格明子是一种受拓扑保护的、具有涡旋磁结构的准粒子,具有易操控、尺寸小、驱动速度快等优点。所以,基于磁斯格明子的自旋电子学器件有望满足未来器件对高容量、高速度、低功耗等性能要求。磁斯格明子也因此被认为是未来自旋电子学存储和逻辑运算器件的理想信息载体。但是,磁斯格明子在实际器件的应用中仍面临诸多挑战,对其实现精准的产生与湮灭正是关键难题之一。

针对上述科学问题,侯玉升课题组通过第一性原理计算,在基于具有本征Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的CrYX(Y = S, Se, Te; X = Cl, Br, I)单层Janus磁性材料中,发现磁场能诱发磁斯格明子的出现。在此基础上,侯玉升课题组考虑到二维铁电材料具有非易失性极化的特性,提出了在二维范德华多体异质结中调控磁斯格明子的方案。经过两年的探索研究,他们在CrSeI和In2Te3组成的二维范德华多体异质结中发现了本征磁斯格明子态与铁磁态之间的转换。

在此项工作中,当In2Te3极化向上时,CrSeI/In2Te3为居里温度248 K的铁磁态;当In2Te3极化翻转向下后,其磁基态则转变为奈尔型磁斯格明子态。更深入的研究发现,该转变是由铁电极化方向可控的磁各向异性导致的。通过研究温度和外磁场的影响,他们发现CrSeI/In2Te3中的磁斯格明子具有强鲁棒性,能在156 K和0.5 T下稳定存在。特别是,在施加0.5T外磁场的情况下,磁斯格明子的半径会由无外场下的8.7 纳米缩小至2.7 纳米,为磁斯格明子器件的小型化打下基础。

为了揭示二维范德华多铁异质结中产生磁斯格明子的普遍规律,他们结合与海森堡交换相互作用相关的交换刚度系数A、与Dzyaloshinskii-Moriya相互作用相关的系数d和与磁各向异性相关的有效面外磁各向异性能,定义了无量纲的描述符。经过深入的分析,他们发现CrSeI/In2Te3中的铁电极化无论是向上或者向下,只要其的取值范围在0.69到0.98时,该体系中都将存在磁斯格明子。

“基于上述发现,我们在国际上首次提出通过控制磁各向异性能来调控磁斯格明子的产生与湮灭,并给出了有利于在二维多铁异质结中寻找磁斯格明子的描述符,为未来基于磁斯格明子的自旋电子学器件设计提供了有参考价值的理论指导。”论文通讯作者侯玉升说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c05024

 
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