磁斯格明子是一種非共線磁渦旋結構并受拓撲保護的準粒子，因其可以做到納米尺寸、非易失且易驅動從而被認為在下一代自選電子學器件如信息存儲、邏輯運算或者神經網絡技術等領域將會扮演重要角色。

磁斯格明子的形成通常是由使磁矩傾向于垂直排列的反對稱交換耦合（Dzyaloshinskii-Moriya interaction，DMI）引起的。DMI同時也是凝聚態物理等基礎科學研究中的一個重要物理相互作用，所以DMI的研究和磁斯格明子的研究已然成為當前自旋電子學領域，同時也是量子材料研究熱點。

DMI的出現要求打破磁性材料的空間反演對稱性以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，從而實現磁斯格明子態。但這些材料在實際應用過程中仍有諸如如何保證磁斯格明子的室溫穩定性、可控讀寫和高密度等許多問題亟需解決。

另一方面，近年來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人們的重視，人們期待能在這些新材料中實現室溫穩定可控的磁斯格明子。但是目前已制備出的二維鐵磁材料如CrI3，VSe2和Fe3GeTe2等單層薄膜，由于它們晶體結構對稱性約束，導致它們都不能產生DMI，這就限制了它們在磁斯格明子領域的應用。為此人們需要探究如何才能在二維磁性材料中誘導出大的DMI，并且實現對磁斯格明子態的調控。

近年來，中國科學院寧波材料技術與工程研究所量子功能材料團隊楊洪新研究員一直致力于磁斯格明子材料的研究（Nature Materials 17, 605 (2018); Nature Nanotechnology 11, 449 (2016); Phys. Rev. Lett. 124, 217202 (2020); Phys. Rev. Lett. 115, 267210 (2015); Phys. Rev. B 101, 184401 (2020); Physical Review B 102, 094425 (2020)等）。近期，該團隊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，還能實現人們一直尋求的電場調控磁斯格明子。該工作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，以題為“Electrically switchable Rashba-type Dzyaloshinskii-Moriya interaction and skyrmion in two-dimensional magnetoelectric multiferroics”的論文以Rapid Communication形式發表在Phys. Rev. B 102, 220409(R) (2020)。

該團隊注意到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，由此可以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。并且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，可以在單一的二維多鐵材料中實現可以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。

圖1. 電場調控DMI手性和磁斯格明子示意圖

這可為利用磁斯格明子實現多態存儲提供新的思路。為了實現以上的構想，該團隊研究了CrN單層薄膜等多種二維多鐵材料。他們首先通過第一性原理計算發現CrN單層薄膜中的確出現了DMI并且其大小達到了3.74meV /f.u.。通過分析DMI的能量來源，如圖2（a）。他們發現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（圖2（b）～（c）），他們分析發現由簡單的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. CrN單層薄膜的Rashba型DMI

這兩方面的分析表明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，他們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。最后他們研究了電場對CrN單層薄膜的結構和磁性性質調控（圖3），并發現通過外加電場的確可以實現CrN單層薄膜的DMI大小和手性翻轉。綜合以上研究，研究者們提出了在CrN單層薄膜中可以實現電場對磁斯格明子的翻轉調控。

該工作由梁敬華助理研究員，崔琪睿博士和楊洪新研究員合作完成。該工作得到了中科院基礎前沿科學研究計劃“從0到1”原始創新項目（ZDBS-LY-7021）、國家自然科學基金（11874059）、浙江省杰出青年科學基金（LR19A040002）等項目支持。同時感謝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。

文章來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所