田明亮、周建辉等在拓扑磁性材料中实现Dzyaloshinskii–Moriya相互作用的电调控

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近日，中科院合肥研究院强磁场中心田明亮研究员、周建辉研究员、朱相德研究员与澳大利亚皇家墨尔本理工大学王澜教授课题组合作，在层状手性磁材料拓扑霍尔效应量子调控方面取得重要突破。合作团队研究发现，在过渡金属硫化物TaS2中插层磁性原子Fe可实现Dzyaloshinskii–Moriya (DM)相互作用。通过一种新型的质子门电压技术，团队成功在该体系中插层质子，并进一步实现了DM相互作用以及拓扑霍尔效应的电调控。相关研究成果近期发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上，论文题为“Tailoring Dzyaloshinskii–Moriya interaction in a transition metal dichalcogenide by dual-intercalation”。
　　可调节的DM相互作用有助于实现和操控拓扑磁结构，如手性磁孤子和磁斯格明子，这也是未来低功耗电子器件的一个重要研究方向。目前人们在很多具有强自旋轨道耦合作用以及空间反演对称破缺的磁性材料中实现了各种拓扑磁结构，而层状材料中实现DM相互作用并不多见。该国际合作团队以过渡金属TaS2为例，通过Fe插层实现了破环空间反演对称性的手性铁磁FexTaS2 ( 0.28≤x≤0.33)。通过理论分析计算，该团队证实了体系中存在着较大的DM相互作用，并进一步在实验上观测到了由DM相互作用导致的拓扑霍尔效应。然而电调控这些材料中的DM相互作用以及拓扑磁结构面临着巨大的挑战。这是因为很多手性磁结构体系具有非常大的载流子浓度，传统的电场调控以及广泛运用的锂离子液技术只能实现材料近表面非常有限的载流子调控。

　(a) 微纳器件的原理结构示意图；(b) 不同门电压下的霍尔电阻率与外加磁场的洄滞曲线； (c)不同门电压下的反常霍尔电阻率（左纵轴）和拓扑霍尔电阻率（右纵轴）

　　王澜课题组近年来发展了一种新型的全固态质子门电压技术，通用电场诱导的质子插层可以实现超高载流子浓度的调控。该合作团队利用这种门电压技术成功将质子插层到Fe0.28TaS2纳米片中，并实现了高达1022cm-3量级的载流子浓度的调控。理论分析发现，改变系统的载流子可以进一步通过Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida机制来实现对DM相互作用的调控。实验发现拓扑霍尔效应在较小的门电压下(-5V)增大了四倍，揭示了对DM相互作用的极大调控。该工作引起了国外多家媒体，如Science Daily, Phys. org, EurekAlert等的广泛报道。
　　澳大利亚皇家墨尔本理工大学郑国林博士为本论文第一作者、北京大学王茂原博士以及强磁场科学中心朱相德研究员为论文的共同第一作者、田明亮研究员和周建辉研究员为论文的共同通讯作者。该工作得到了澳大利亚研究委员会基金、国家自然科学基金、中国科学院“百人计划”项目以及中科院青年创新促进会的支持。
　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23658-z


       文章来源：合肥研究院
       田明亮，研究员，1965年生于河南省洛阳市。1992获武汉大学理学博士学位，毕业后到中国科学技术大学做博士后研究。94年留校任教,98年被破格晋升为正教授(博导)。曾于96和98年先后在日本帝京大学理工学部和法国国立科学研究院(CNRS)Grenoble固体物性实验室作合作研究。2001年受聘到美国宾夕法尼亚州立大学纳米尺度科学中心，先后任职纳米中心助理研究员和物理系助理教授并兼任纳米中心实验室运行管理负责人。2010年以中科院“百人计划“项目受聘为合肥物质科学研究院强磁场中心研究员。长期从事低维体系中的电子和自旋的量子输运研究，在固体中的电荷米度波，纳米碳管，金属、磁性和超导量子线及高温超导等材料合成及控制生长,结构表征,低温电导和磁阻等方面取得了一系列在国际上有影响力的重要结果,发表论文共106篇（第一作者33篇），SCI收录论文96篇。其中在国际上具有重要影响力期刊，如NatuePhysics（1），Phys.Rev.Lett.(5),NanoLetters(6),JACS(1),Phys.RevB(18)和Appl.Phys.Lett.(2)上发表论文34篇（第一作者16篇）。近几年(2003后)发表论文28篇，被引用670多次。目前受邀为Phys.Rev.Lett.,JACS,NanoLett.,Adv.Mater.,及APL等33种国际期刊的论文审稿人，美国物理学会(APS)和材料研究学会(MRS)会员。
        周建辉，男，强磁场科学中心研究员，博士生导师。2006年本科毕业于四川师范大学，获得物理学学士学位。2012年博士毕业于中国科学院物理研究所，2013年获得理论物理博士学位。2012年10月到2017年10月先后在美国卡内基梅隆大学物理系和香港大学物理系从事博士后研究工作，2018年4月加入中科院强磁场科学中心。主要从事固体中贝里相位效应（ 拓扑半金属、拓扑超导体、二维材料）、拓扑等离激元以及量子反常相关的新奇物性。迄今为止在国内外学术期刊上发表20余篇学术论文，包括Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B等。目前主持合肥研究院科研启动基金一项。