量子物态与器件研究中心在反对称交换耦合方面研究成果

   近日，浙江大学量子物态与器件研究中心、浙江大学物理学院的常凯院士和杨洪新教授与中国科学院半导体研究所王开友研究员等合作揭示了在中心反演对称体系中由于局域对称破缺诱导的反对称交换耦合(Dzyaloshinskii–Moriya interaction, DMI)及其诱导的拓扑磁结构，相关工作以“Anatomy of Hidden Dzyaloshinskii−Moriya Interactions and Topological Spin Textures in Centrosymmetric Crystals”为题发表于Nano Letters，并入选当期封面文章(Supplementary Cover)。博士后崔琪睿为论文第一作者，常凯院士、杨洪新教授和王开友研究员为论文共同通讯作者，浙江大学量子物态与器件研究中心和浙江大学物理学院为论文第一署名单位。

反对称交换耦合(Dzyaloshinskii–Moriya interaction, DMI)是自旋轨道耦合对磁相互作用在空间反演对称破缺下的内禀效应，是理解诸多与自旋轨道耦合相关物理学现象及开发自旋电子学应用的关键。不同于共线性的海森堡相互作用，DMI倾向于使邻近的自旋垂直排列，产生呈现出拓扑性相关的非共线性磁，在磁学和自旋电子学、拓扑物理、铁电、界面和电子气等体系都扮演着非常重要的角色，是连接自旋轨道耦合和诸多物理现象的桥梁。因而，DMI是构建相关新奇物态的微观机理与开发新型电子和自旋电子学应用的重要抓手，成为了最近20年来凝聚态物理研究领域的一个热点领域[Nat. Rev. Phys. 5, 43 (2023)]。特别的，DMI可以用于产生拓扑保护的实空间非共线磁涡旋准粒子，由于具有纳米尺寸、结构稳定、易调控、驱动阈值电流小等优点，这些拓扑粒子有望成为下一代高速度、高容量、低功耗、非易失信息存储及逻辑运算的信息载体。DMI还可以用于实现高效自旋轨道扭矩[PRL 130, 056701 (2023)]、拓扑磁振子和磁电耦合等物理效应。然而一般认为DMI仅在具有中心反演对称破缺的磁性体系中才会出现，从而限制了DMI以及其相关的物理效应的研究与应用范围。

在该工作中，作者研究发现了中心反演对称磁性系统中不可忽略的隐藏DMI。值得注意的是，DMI的出现归因于局域自旋晶格的中心反演对称性破缺(图1)，而不是传统的全局反演对称性的破缺。隐形DMI可以在实空间中产生手性相反的自旋螺旋，由于实空间中自旋晶格的分离，手性相反的自旋螺旋亦在实空间中分离。更有趣的是，来源于Rashba型自旋轨道耦合的隐形DMI可以克服自旋晶格间的共线交换耦合，在铁磁体和反铁磁体中产生新颖的相反手性锁定的拓扑磁性准粒子(图2)。结合晶体数据库，研究人员发现该相互作用广泛存在于中心反演对称磁体中。

此外，隐藏DMI与此前报道的中心对称系统中隐藏Rashba/Dresselhaus效应非常不同。由于对称性严格禁止倒空间中的自旋极化，破坏整体反演对称性的外部方法，例如施加电场或构造异质界面，对于产生净自旋分裂和制造自旋场效应晶体管是必不可少的。相反，由于隐藏DMI诱导的自旋螺旋在实空间中本质上是分离的，相应的拓扑孤子可以通过磁力显微镜（MFM）或自旋极化扫描隧道显微镜（STM）检测到，并进一步应用在逻辑和存储器件中。

该工作揭示了一种被长期忽视的基本自旋相互作用，隐藏DMI，使研究人员可以基于中心对称磁体研究非线性自旋相关联的物理现象，并为自旋相互作用和拓扑手性磁结构提供了新的研究思路与方法及材料储备。

该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、中国科学院基础前沿科学研究计划、浙江省尖兵计划等的支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01486

图1中心反演对称磁体中隐藏DMI。

图2隐藏DMI诱导的相反手性锁定拓扑磁半子。