近日,中科院合肥研究院強磁場中心田明亮研究員、周建輝研究員、朱相德研究員與澳大利亞皇家墨爾本理工大學王瀾教授課題組合作,在層狀手性磁材料拓撲霍爾效應量子調控方面取得重要突破。合作團隊研究發現,在過渡金屬硫化物TaS2中插層磁性原子Fe可實現Dzyaloshinskii–Moriya (DM)相互作用。通過一種新型的質子門電壓技術,團隊成功在該體系中插層質子,并進一步實現了DM相互作用以及拓撲霍爾效應的電調控。相關研究成果近期發表于《自然·通訊》(Nature Communications)上,論文題為“Tailoring Dzyaloshinskii–Moriya interaction in a transition metal dichalcogenide by dual-intercalation”。
可調節的DM相互作用有助于實現和操控拓撲磁結構,如手性磁孤子和磁斯格明子,這也是未來低功耗電子器件的一個重要研究方向。目前人們在很多具有強自旋軌道耦合作用以及空間反演對稱破缺的磁性材料中實現了各種拓撲磁結構,而層狀材料中實現DM相互作用并不多見。該國際合作團隊以過渡金屬TaS2為例,通過Fe插層實現了破環空間反演對稱性的手性鐵磁FexTaS2 ( 0.28≤x≤0.33)。通過理論分析計算,該團隊證實了體系中存在著較大的DM相互作用,并進一步在實驗上觀測到了由DM相互作用導致的拓撲霍爾效應。然而電調控這些材料中的DM相互作用以及拓撲磁結構面臨著巨大的挑戰。這是因為很多手性磁結構體系具有非常大的載流子濃度,傳統的電場調控以及廣泛運用的鋰離子液技術只能實現材料近表面非常有限的載流子調控。
王瀾課題組近年來發展了一種新型的全固態質子門電壓技術,通用電場誘導的質子插層可以實現超高載流子濃度的調控。該合作團隊利用這種門電壓技術成功將質子插層到Fe0.28TaS2納米片中,并實現了高達1022cm-3量級的載流子濃度的調控。理論分析發現,改變系統的載流子可以進一步通過Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida機制來實現對DM相互作用的調控。實驗發現拓撲霍爾效應在較小的門電壓下(-5V)增大了四倍,揭示了對DM相互作用的極大調控。該工作引起了國外多家媒體,如Science Daily, Phys. org, EurekAlert等的廣泛報道。
澳大利亞皇家墨爾本理工大學鄭國林博士為本論文第一作者、北京大學王茂原博士以及強磁場科學中心朱相德研究員為論文的共同第一作者、田明亮研究員和周建輝研究員為論文的共同通訊作者。該工作得到了澳大利亞研究委員會基金、國家自然科學基金、中科院青年創新促進會的支持。
文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-23658-z
(a) 微納器件的原理結構示意圖;(b) 不同門電壓下的霍爾電阻率與外加磁場的洄滯曲線; (c)不同門電壓下的反常霍爾電阻率(左縱軸)和拓撲霍爾電阻率(右縱軸)