【Science Bulletin编辑精选】二维磁性材料与拓扑自旋物态- 大数跨境

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【Science Bulletin编辑精选】二维磁性材料与拓扑自旋物态

两江科技评论

2024-12-07

导读：欢迎阅读！

本期编辑

袁喆, 复旦大学理论物理与信息科学交叉中心教授、博士生导师. 在清华大学物理系获物理学学士(2002)和硕士(2005)学位, 瑞典查尔莫斯理工大学博士(2008). 先后在中国科学院物理研究所, 荷兰特文特大学, 德国美因茨大学, 北京师范大学等机构工作, 2023年入职复旦大学微纳电子器件与量子计算机研究院；曾入选国家海外高层次人才计划青年项目. 主要研究兴趣为磁学和自旋电子学理论与第一性原理计算.

近年来, 长程磁有序的二维范德华材料的发现, 以及拓扑自旋物态的深入研究, 极大地丰富了磁学和自旋电子学物理的研究内容, 也为研制新原理自旋信息器件提供了新的研究平台. 我们选取了近期在Science Bulletin上发表的相关论文, 涵盖了二维磁性材料中的新奇电子态, 拓扑磁结构的表征与调控, 以及新型磁存储技术的最新进展. 这些研究成果不仅深化了对二维磁性材料和拓扑磁结构相关物理的理解, 也为未来高速、低功耗存储技术以及量子信息处理等领域的应用奠定了坚实的基础.

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Perspective

Progress and perspective on the topological spin textures in two-dimensional van der Waals magnets

Hongjun Xu, Yizhou Liu, Giovanni Finocchio, Kang L. Wang, Guoqiang Yu

Science Bulletin 2024, 69(11): 1612–1616; doi: 10.1016/j.scib.2024.04.005

磁学系统中的拓扑自旋结构(TSTs)有望成为实现超紧凑、高效能非易失性存储器、逻辑器件和非传统计算的新型纳米级信息载体. 与此同时, 本征二维范德华磁性材料的兴起为稳定和控制TSTs提供了新的潜在平台及多种方法, 极大地激发了人们探索其中TSTs的研究兴趣. 然而, 该领域的研究仍处于起步阶段, 要深入理解低维系统中TSTs的具体产生机制及其潜在应用, 还需进行更多探索. 从这一视角出发,本文简要回顾了该领域实验上取得的进展, 随后讨论了寻找新型范德华 TSTs以及研究其涉及物理机制和潜在器件应用所面临的挑战.

Short Communication

Topological surface states in quasi-two-dimensional magnetic kagome metal EuTi₃Bi₄

Zhicheng Jiang, Tongrui Li, Jian Yuan, Zhengtai Liu, Zhipeng Cao, Soohyun Cho, Mingfang Shu, Yichen Yang, Zhikai Li, Jiayu Liu, Jianyang Ding, Zhonghao Liu, Jishan Liu, Jie Ma, Zhe Sun, Xiangang Wan, Yanfeng Guo, Dawei Shen, Donglai Feng

Science Bulletin 2024, 69(20): 3192–3196; doi: 10.1016/j.scib.2024.08.019

研究团队通过角分辨光电子能谱技术对EuTi₃Bi₄的电子结构进行了深入分析, 揭示了材料中存在的各向异性多重范霍夫奇点, 以及连接多个鞍点能带的非平庸拓扑表面态. 特别地, 当材料进入反铁磁态, 破坏了时间反演对称性后, 这些拓扑表面态依然保持稳定, 受到组合对称性S=θτ_1/2的保护. 这一发现不仅丰富了对磁性笼目材料中拓扑态的认识, 也为探究磁性、电子关联与拓扑态之间复杂的相互作用机制提供了新的思路和实验依据.

Sewing skyrmion and antiskyrmion by quadrupole of Bloch points

Jin Tang, Yaodong Wu, Jialiang Jiang, Lingyao Kong, Wei Liu, Shouguo Wang, Mingliang Tian, Haifeng Du

Science Bulletin 2023, 68(23): 2919–2923; doi: 10.1016/j.scib.2023.10.028

相关报道: 积木式堆垛准粒子-反粒子：三维斯格明子-反斯格明子

本研究通过理论计算与实空间观测, 首次在S₄对称FeNiPdP材料中发现了三维斯格明子-反斯格明子耦合态. 研究显示, 磁布洛赫点四极子能够使斯格明子与反斯格明子在材料厚度方向上稳定结合, 形成管状结构. 这种结构不仅具备独特的拓扑磁电特性, 如霍尔天平动力学, 还为赛道存储等新型拓扑自旋电子学器件的开发提供了可能. 研究团队还提出了有效的判别方法, 用于区分斯格明子-反斯格明子管和单纯的斯格明子管, 解决了此前存在的磁结构识别难题. 该成果完善了S₄对称材料中斯格明子体系的三维磁结构模型, 提出了新的斯格明子-反斯格明子耦合方案, 对于促进拓扑磁性理论的研究和实际应用具有重要意义.

Article

Realization of skyrmion shift register

Le Zhao, Chensong Hua, Chengkun Song, Weichao Yu, Wanjun Jiang

Science Bulletin 2024, 69(15): 2370–2378; doi: 10.1016/j.scib.2024.05.035

本文通过形貌调制磁性的方法, 在不同对称性的圆形坑洞衬底上生长Ta/CoFeB/MgO薄膜, 改变了局部磁各向异性能, 实现了磁斯格明子阵列的确定性产生. 在一维赛道器件中, 利用电流产生的自旋轨道力矩效应, 实现了斯格明子的定点及长距离运动. 通过设计写入、移动分离的移位寄存器, 研究团队展示了复杂斯格明子字符串的时序产生和确定性整体位移, 验证了其作为赛道存储器件的功能. 此方法与先进半导体工艺兼容, 为斯格明子在存储、逻辑及存算一体化器件的应用开辟了新路径.

Room-temperature orbit-transfer torque enabling van der Waals magnetoresistive memories

Zhen-Cun Pan, Dong Li, Xing-Guo Ye, Zheng Chen, Zhao-Hui Chen, An-Qi Wang, Mingliang Tian, Guangjie Yao, Kaihui Liu, Zhi-Min Liao

Science Bulletin 2023, 68(22): 2743–2749; doi: 10.1016/j.scib.2023.10.008

相关报道: 室温轨道转移力矩磁存储器

本文介绍了一种基于WTe₂/Fe₃GaTe₂/BN/Fe₃GaTe₂范德华异质结构的新型全二维磁存储器件, 实现了室温条件下的电学数据读写. 数据读取依赖于Fe₃GaTe₂/BN/Fe₃GaTe₂形成的磁隧道结, 而数据写入则通过WTe₂层中的电流诱导产生轨道磁矩极化, 进而对邻近的Fe₃GaTe₂层施加轨道转移力矩(OTT), 促使其磁化方向发生改变. 这一过程无需外部磁场辅助, 相较于传统的自旋转移力矩和自旋轨道力矩方法, OTT机制更加高效节能. 研究指出, 基于轨道转移力矩的OTT-MRAM有望成为下一代低能耗、高性能的存储解决方案.

Real-time observation of magnetization and magnon dynamics in a two-dimensional topological antiferromagnet MnBi₂Te₄

F. Michael Bartram, Meng Li, Liangyang Liu, Zhiming Xu, Yongchao Wang, Mengqian Che, Hao Li, Yang Wu, Yong Xu, Jinsong Zhang, Shuo Yang, Luyi Yang

Science Bulletin 2023, 68(22): 2734–2742; doi: 10.1016/j.scib.2023.10.003

相关报道: 二维磁性拓扑材料的超快自旋动力学

本研究聚焦于二维拓扑反铁磁材料MnBi₂Te₄, 通过系统分析不同层厚、温度及磁场条件下该材料的超快磁化率与自旋波动力学, 揭示了其独特的物理性质. 研究发现,激光诱导的磁化过程能有效追踪材料在不同磁场环境下的磁状态变化, 表现出显著的奇偶层数效应. 此外, 实验还成功激发并观察到了频率高达数十GHz的反铁磁磁振子模式, 其特性受磁场强度影响明显. 这些磁性特征不仅能在时间分辨的磁光克尔效应中检测到, 在时间分辨的反射率测量中也有体现, 证明了磁态与电子结构之间的紧密联系. 此研究为二维反铁磁材料在自旋电子学和磁振子学领域的应用开辟了新途径, 并促进了对超快自旋动力学调控的理解.

Giant nonlocal edge conduction in the axion insulator state of MnBi₂Te₄

Yaoxin Li, Chang Liu, Yongchao Wang, Zichen Lian, Shuai Li, Hao Li, Yang Wu, Hai-Zhou Lu, Jinsong Zhang, Yayu Wang

Science Bulletin 2023, 68(12): 1252–1258; doi: 10.1016/j.scib.2023.05.011

本文研究了MnBi₂Te₄轴子绝缘态中的非局域边缘导电现象, 这是一种具有范德瓦尔斯层状结构和层间反铁磁序的反铁磁拓扑绝缘体. 研究聚焦于少层MnBi₂Te₄器件(厚度从6层到9层), 特别是其在轴子绝缘态下的输运特性. 实验结果显示, 在相同磁场条件下, 偶数层MnBi₂Te₄器件展现出显著的非局域输运信号, 而奇数层器件的非局域信号几乎消失. 结合理论计算, 研究团队确认这种非局域输运是由分布在样品侧面与上下表面之间的棱处的螺旋电流所驱动. 这一发现不仅验证了理论预测, 即轴子绝缘态中存在螺旋棱态电流, 而且对于深入理解宇称反常的半量子化物理现象以及未来拓扑和量子器件的发展具有重要意义.

Inducing itinerant ferromagnetism by manipulating van Hove singularity in epitaxial monolayer 1T-VSe₂

Junyu Zong, Zhao-Yang Dong, Junwei Huang, Kaili Wang, Qi-Wei Wang, Qinghao Meng, Qichao Tian, Xiaodong Qiu, Yuyang Mu, Li Wang, Wei Ren, Xuedong Xie, Wang Chen, Yongheng Zhang, Can Wang, Fang-Sen Li, Shao-Chun Li, Jian-Xin Li, Hongtao Yuan, Yi Zhang

Science Bulletin 2023, 68(10): 990–997; doi: 10.1016/j.scib.2023.04.016

本文在SrTiO₃(111)衬底上外延生长单层VSe₂薄膜, 并通过调控范霍夫奇点诱导出巡游铁磁性. 通过角分辨光电子能谱(ARPES)技术, 直接观测到了单层VSe₂中的范霍夫奇点能带结构. 理论计算表明, 当该范霍夫奇异点靠近费米能级时, 可通过斯通纳(Stoner)不稳定性产生巡游铁磁性. 实验上, 利用SrTiO₃(111)在低温下极大增强的介电常数ε_r, 通过界面电荷转移效应调控范霍夫奇点向费米能级处移动, 并通过电输运测量观测到了3.3 K的巡游铁磁性转变. 进一步, 通过改变薄膜层厚和更换衬底,可以进一步调控界面电荷转移效果和范霍夫奇点的能量位置, 并对巡游铁磁性进行调控. 这项研究证明了范霍夫奇点可以成为巡游铁磁性的调控自由度, 并拓展了二维磁体在未来电子信息技术的应用潜力.

Review

Magnetic topological materials in two-dimensional: theory, material realization and application prospects

Xiaoming Zhang, Xiaotian Wang, Tingli He, Lirong Wang, Wei-Wang Yu, Ying Liu, Guodong Liu, Zhenxiang Cheng

Science Bulletin 2023, 68(21): 2639–2657; doi: 10.1016/j.scib.2023.09.004

相关报道: 二维磁性拓扑材料：基础理论、材料实现及应用前景

在二维材料的研究中, 二维磁性和非平庸拓扑能带成为研究焦点. 最近, 涌现出一类新型材料体系, 被称为二维磁性拓扑材料. 它们巧妙地将二维磁性与非平庸拓扑特性相结合, 引起人们的广泛研究兴趣. 特别是在二维尺度上已推出几种新型磁性拓扑态, 如反铁磁拓扑绝缘体/半金属、磁性二阶拓扑绝缘体等. 本综述全面分析了目前二维磁性拓扑材料领域的研究进展, 包括各类二维磁性拓扑绝缘体、二维磁性拓扑半金属以及完全自旋极化二维拓扑半金属等; 系统性地剖析了基础拓扑理论、发展历程、材料实现以及潜在应用. 最后, 讨论了该领域所面临的挑战与前景, 强调了未来在这一引人注目的领域取得更大突破的可能途径.

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