Advanced Functional Materials:磁性skyrmion在二维范德瓦尔斯异质结中的电场和磁场调控

磁斯格明子是一种新型的拓扑自旋结构,具有尺寸小,稳定性高,易操纵等特点,可用作下一代的电子器件,实现存储和逻辑运算功能。磁斯格明子广泛存在于铁磁多层金属膜,多铁等材料中。最近,斯格明子也在二维范德瓦尔斯(vdW)材料中观测到。通过不同种类二维材料堆叠,二维异质结构可以灵活的整合多种不同磁性交互作用、手性不对称交互作用,垂直各项异性到同一结构中,而且局域磁矩更容易被操控,同时降低了材料堆垛方向的尺寸。在二维材料中磁各向异性对斯格明子自旋构型起着至关重要的作用。在具有垂直各向异性的二维磁体中,斯格明子稳定于Néel型磁结构。而在具有平面各向异性的二维磁体中,自旋将倾向于沿着平面内排列,具有bimeron型磁结构(如图所示)。最近,我们探索了不同条件下稳定二维系统中Neel型和bimeron型的斯格明子,二者展现了不同的拓扑特性和输运特性,通过在二维系统中操控不同类型斯格明子之间的转换,可能用于存储和逻辑电子设备。

  近日,澳大利亚卧龙岗大学程振祥教授、新罕布什尔大学臧佳栋教授和河南大学李航合作,研究了在WTe2/CrCl3双层vdW异质结中的拓扑自旋纹理。自旋-轨道耦合引起的垂直各磁晶向异性有利于Néel型skyrmion的稳定,而磁偶极-偶极相互作用引起的面内形状各向异性有利于bimeron型skyrmion的稳定。在垂直磁场的存在下,可以实现skyrmion–bimeron–铁磁循环转变,同时体系的拓扑性质(拓扑数)也随之反转。我们的结果还表明,与bimeron型磁构型相比,Néel型skyrmion获得了更高的速度和更大的skyrmion霍尔角。此外,将CuInP2S6(一种二维铁电单层膜)堆叠到异质结中,可以通过界面磁电耦合产生的电场操控skyrmion的写入和擦除。

亮点介绍:我们提出了一个场控制的skyrmion–bimeron–铁磁过渡循环,如图1所示。(a-l)是从-120 mT到120 mT的垂直磁场(Bz)的封闭循环。其中,skyrmion和bimeron的转换阶段(a-d和g-j)是可逆的。铁磁到skyrmion过程是通过模拟电加热和随后的冷却产生(f和l是在40 K下考虑温度效应时的自旋纹理)。另外,skyrmion和bimeron的形状区别导致了二者输运性能的差异。具体地说,Néel型skyrmion的vx速度是bimeron的两倍左右,而就vy而言,两者之间的差异变得更大,约为3倍,如图2所示。这意味着,在相同的速度下,bimeron的霍尔角比Néel型 skyrmion的霍尔角小。因此,我们的结果表明,通过施加磁场可以在Néel型skyrmion和bimeron之间切换,从而控制拓扑自旋纹理的运动速度和方向。

图1. skyrmion–bimeron–铁磁循环相变。

图2. 自旋电流驱动的skyrmion和bimeron

上述研究工作得到了国家自然科学基金(51571083,11674083,11804078)、澳大利亚研究委员会(DP190100150)、河南大学校内基金项目(CX3040A0950115,CJ3050A0240050)的支持。

论文信息:

Manipulation of Magnetic Skyrmion in a 2D van der Waals Heterostructure via Both Electric and Magnetic Fields

Wei Sun, Wenxuan Wang, Jiadong Zang, Hang Li*, Guangbiao Zhang, Jianli Wang, Zhenxiang Cheng*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202104452

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202104452