戴瑛教授团队在磁斯格明子研究方面取得系列新进展

近期，山东大学物理学院戴瑛教授团队在磁斯格明子研究中取得系列新进展，相关成果分别发表在ACS Nano、Nano Lett.等期刊上。


进展一：反铁磁斯格明子晶体（AF-SkX）是规则的反铁磁斯格明子阵列，其相较于铁磁斯格明子有输运速度快、杂散场、能抵御斯格明子霍尔效应等优势。基于第一性原理计算和蒙特卡罗模拟，该团队提出了在Janus单分子层CrSi2N2As2中可以实现AF-SkX。由于该体系中心反演对称破缺，并且具有较强SOC，所以其存在较大的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）。DMI与其三角晶格产生几何阻挫，从而产生拓扑自旋花纹，并且在外部磁场作用下可产生AF-SkX。此外，该团队发现该体系中的AF-SkX可以利用铁电衬底的极化反转进行调控。当与铁电单层Sc2CO2构建异质结之后，铁电极化反转可以控制AF-SkX的产生和湮灭。这一工作丰富了反铁磁斯格明子领域的研究，并为未来二维体系中反铁磁斯格明子物理学的研究打下了基础。相关研究成果以“Theoretical Prediction of Antiferromagnetic Skyrmion Crystal in Janus Monolayer CrSi2N2As2”为题发表在ACS Nano上，并被选为COVER。论文第一作者为2021级硕士生窦恺莹，马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。


进展二：团队基于第一性原理计算和蒙特卡洛模拟，在二维范德华异质结MnTe2/ZrS2中发现了多重拓扑磁性态（包含斯格明子和双半子）。由于其较强的层间相互作用，MnTe2/ZrS2中可以产生较大的DM作用。DM作用与铁磁交换作用相互竞争使得MnTe2/ZrS2在不需要外加磁场的情况下能够产生磁斯格明子。当进一步施加磁场和电场时，MnTe2/ZrS2可以分别形成斯格明子相和双半子相。另外，通过MnTe2和ZrS2的层间滑移还能够实现两种拓扑磁性态的开关。相关研究成果以“Multiple Topological Magnetism in van der Waals Heterostructure of MnTe2/ZrS2”为题发表在Nano Lett.上。论文第一作者为2022级博士生何仲麟，马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。


进展三：由于这种拓扑保护，磁斯格明子对环境扰动具有相当强的鲁棒性。这与其小尺寸以及高效电流驱动动力学相结合，使磁斯格明子有望成为下一代的信息载体。团队利用第一性原理计算结合蒙特卡罗模拟研究了铁磁单层CrInSe3和CrInTe3中的拓扑自旋结构，发现这两个单层材料具有空间反演对称破缺以及较大的自旋轨道耦合作用，在不需要磁场的情况下存在磁斯格明子。此外，还发现施加适中强度的磁场，可以在较宽的温度范围内获得稳定的磁斯格明子相。特别是在单层CrInTe3中，磁斯格明子的尺寸在10nm以内，且在约180K的高温下仍能保持其斯格明子相。这一工作丰富了二维体系中磁斯格明子的研究。相关研究成果以“Spontaneous Magnetic Skyrmions in Single-Layer CrInX3(X = Te, Se)”为题在线发表在Nano Lett.上。论文第一作者为2021级博士生杜文惠，马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。

以上工作得到了晶体材料国家重点实验室、国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程项目、山东省泰山学者计划、山东大学齐鲁学者计划和山东省青年科技人才托举工程等项目的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08544

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c04388

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c00836