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　　DMI的出現(xiàn)要求打破磁性材料的空間反演對(duì)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(lái)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(guò)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(wèn)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(lái)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(duì)稱性約束，導(dǎo)致無(wú)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(duì)磁斯格明子態(tài)的調(diào)控十分重要。
 

　　近年來(lái)，中國(guó)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(chǎng)調(diào)控磁斯格明子,。該研究開辟了二維材料中通過(guò)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(shì)差會(huì)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(lái)提高材料的SOC,。利用二維多鐵材料的磁電耦合,，通過(guò)外加電場(chǎng)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(chǔ)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(guò)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(guò)分析DMI的能量來(lái)源發(fā)現(xiàn)(圖2(a)),，CrN單層薄膜的DMI相關(guān)能量主要來(lái)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(jiǎn)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(guò)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(chǎng)對(duì)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(guò)外加電場(chǎng)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(chǎng)對(duì)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(guó)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(tái)和天河超算對(duì)計(jì)算工作的支持。
 

　　圖1.電場(chǎng)調(diào)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(chǎng)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(guò)施加不同方向的電場(chǎng)和磁場(chǎng)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(lái)源；(b)和(c)CrN單層薄膜能帶的Rashba分裂
 

　　圖3.電場(chǎng)對(duì)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(chǎng)的變化關(guān)系