前沿：上海科大团队揭示氧化物超晶格中反演对称性破缺诱导的角分辨电磁手性效应

为了介绍这种新型电磁手性效应，我们首先介绍手性材料和电磁手性效应以及氧化物材料的相关背景知识。

背景1. 手性结构材料和电磁手性效应

手性广泛存在于自然界中，例如图1中的手性分子、手性藤蔓，它们来自一对镜面对称的手性对映异构体，分别被称为左旋体和右旋体。

在无机材料领域，碳纳米管是最广为人知的手性材料，但不是所有的碳纳米管都具有手性结构，例如下图中的锯齿型(zigzag)和扶手椅型(armchair)碳纳米管不具有手性，但手性单壁纳米管具有明显的手性结构。当无机材料具有手性结构时，我们就有望将其应用在微电子器件中，如图1所示，手性的碳纳米管在相反方向的磁场中可以具有不同大小的电导。这证明了手性结构对电子在磁场中的运动有非常重要的作用，这种效应被称为Electrical Magneto-Chiral Effect，我们将其翻译为电磁手性效应。

图1. (a) 手性分子；（b）手性藤曼；(c) A、B、C分别为扶手椅型（armchair）、锯齿型(zigzag) 和手性（chiral）单壁碳纳米管，图片摘自Science 297, pp. 787-792（2002）。（d）左旋和右旋的电磁手性效应（Electrical Magneto-Chiral Effect)示意图。

背景2. 氧化物材料的手性相互作用

氧化物材料是一种特殊的材料，和金属合金薄膜、半导体薄膜不同，电子和电子之间的相互作用非常强，能够产生一系列非常丰富的物理性质，例如铜基氧化物高温超导和最近发现的镍基氧化物高温超导、电子相分离、电荷密度波、庞磁电阻、界面超导二维电子气等等，因而是一类非常重要的多功能材料。

磁性氧化物中兼具电子关联相互作用和自旋交换相互作用，在自旋轨道相互作用很强的磁性氧化物中，自旋轨道耦合相互作用的加入更加丰富了材料的物理性质。具有手性相互作用特征的自旋轨道耦合包括Rashba相互作用、Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（如图2所示）。前者主要来源于界面电场矢量和自旋矢量的耦合，而后者主要来源于晶格矢量和自旋矢量的耦合。氧化物界面二维电子气体系已被发现存在Rashba相互作用引起的电磁手性效应(亦称非对易电阻)。但关于Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的电磁手性效应研究则更加复杂也更具挑战性。

图2. (a) Rashba相互作用示意图；（b）Dzyaloshinskii-Moriya（D-M）相互作用示意图

角分辨电磁手性效应的发现

上海科技大学物质学院翟晓芳教授，王文波教授，信息学院祝智峰教授联合团队在人工构建反演对称性破缺的氧化物超晶格中实现了角分辨磁手性效应。研究团队利用激光分子束外延构筑了A-B-C-C型原子层堆垛的SrRuO₃-SrRu_1-xTi_xO₃-SrTiO₃-SrTiO₃超晶格，通过在磁场中旋转样品进行磁阻测量，发现磁阻根据左旋和右旋的旋转方式，会出现左旋和右旋的最小电阻，反映了磁易轴的手性旋转，其旋转角度和磁场的大小密切相关，并且最大旋转角达到45°（如图3所示）。这种新型电磁手性效应不再限于电流平行或反平行于磁场的电响应，因而与以往的电磁手性效应完全不同。

图3. (a) 反演对称性破缺SrRuO₃-SrRu_1-xTi_xO₃-SrTiO₃-SrTiO₃超晶格的截面STEM 图. (b) Ru 和（c) Ti元素分辨的EDS图. (d) 每个原子层中Ru和Ti的组成比例。(e) 角度依赖磁阻测试的示意图。θ为磁场与样品表面法线夹角。(f) 2 K温度下，样品在5, 3和 2 T磁场中右手性和左手性旋转时对应的角度依赖磁阻。

为分析这一手性效应的来源机制，团队分别进行了磁力显微镜探测和原子模型的动力学模拟，前者发现在对应最大旋转角的磁场作用下，超晶格出现了最强的磁织构结构（如图4b,f所示），后者通过模拟磁场旋转的过程，发现了磁斯格明子出现在特定的磁场旋转角区域，并且这一区域定性地和磁易轴旋转范围一致（如图4i,j所示）。因此这些发现进一步表明界面对称性破缺导致的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用是磁化方向手性旋转的关键因素。

图4. (a-c) 5 K温度下，0.5 T、1.8 T、5 T 磁场下的磁力显微镜图。插图显示磁力显微镜图的傅里叶变换.（a）插图黄色圆圈指示了可观测的二重傅里叶峰 𝒒₀=[1.6 μm⁻¹,2 μm⁻¹,0]. (d-g) 非线性霍尔、纵向电阻、傅里叶峰强和磁力显微镜信号标准差的磁场依赖关系. (h)旋转磁场下的磁织构模拟。先在0°时在8 T磁场下磁化，随后将外磁场降至3.5 T并进行旋转。(i) 3.5 T和 (j) 4 T下斯格明子存在的磁场方位角范围. 虚线为该范围的中心线. (k) 斯格明子区域中心线对应的倾角。

上海科技大学物质学院副研究员成龙博士说:“我们知道，大多数磁性氧化物是中心对称结构，要想在其中观测到由反演对称性破缺导致的磁手性效应似乎是缘木求鱼。但是我们利用SrRuO₃中Ru元素在不同原子表面的挥发速率差异，可以在原子尺度很精妙地构建A-B-C-C型超晶格，从而了打破了原本的空间反演对称性，为观测磁手性效应奠定了基础。”

上海科技大学物质学院王文波教授说:“在磁性材料研究中，磁易轴的有效调控始终是核心科学挑战之一。本研究通过创新方法实现了磁易轴的手性旋转调控，并成功诱导出具有明确手性特征的磁畴结构。利用高精度扫描探针显微技术，我们实现了该手性磁结构的原位表征与可视化观测。”

上海科技大学信息学院的祝智峰教授说:“借助原子尺度模拟，我们揭示了磁状态从饱和态到手性Néel壁结构，再到斯格明子泡的转变过程，为实验结果提供了清晰的物理图像和充分的证据。”

上海科技大学物质学院的翟晓芳教授说:“通过这一研究，我们再次证明了氧化物材料是非常重要的多功能材料，研究氧化物中各种新奇效应的物理机制不仅是非常有趣的，也是发展新材料和新器件过程中不可或缺的重要一环。”

翟晓芳教授、王文波教授、祝智峰教授为论文共同通讯作者，成龙博士和上海科技大学研究生保明睿、张雪为该论文的共同第一作者，伊利诺伊大学香槟分校左建民教授、复旦大学沈健教授和周晓东教授、中国科技大学程光磊教授、阿贡国家实验室周华博士、安徽大学李惠教授等提供了重要合作。研究工作受到科技部、基金委和上海市科委等基金支持。