清华大学江万军、中科院杨洪新和兰大彭勇教授合作在手性磁学方面取得进展
FUTURE | 远见 闵青云 选编
近日，清华大学物理系江万军课题组在磁性纳米薄膜中的手性磁相互作用研究方面取得进展。该项研究工作中，江万军课题组采用材料物性重构的方法，通过引入在厚度方向上具有成分梯度这一体对称破缺方式，结合自旋轨道耦合作用，在较厚磁性合金薄膜中实现了体手性磁相互作用的有效调控，并进一步阐明了手性磁相互作用的物理起源。相关研究结果于4月20日以「体对称破缺诱导的手性磁相互作用（Quantifying the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction Induced by the Bulk Magnetic Asymmetry）」为题发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。
江万军课题组长期关注磁性纳米薄膜中拓扑磁结构的形成机理，及其在低能耗自旋器件方面的应用潜能。在以往的研究中，大多采用自旋轨道耦合强度不同的重金属，改变磁性金属/重金属的界面轨道杂化强度，实现手性磁相互作用、拓扑磁结构的调控。由于界面手性磁相互作用的强度随磁性层厚度的增加而指数衰减，并在2-3纳米完全消失，所以在较厚的磁性薄膜中不会出现手性磁相互作用，也不会产生拓扑磁结构。
为开发出性能更稳定、尺寸更小的拓扑磁结构，课题组深入探索了手性磁相互作用的产生机制。通过在厚度方向上引入成分梯度的这一体对称破缺方式，结合重金属的强自旋轨道耦合效应，采用自主搭建的布里渊光散射系统，在3-9纳米厚的FePt、CoPt薄膜中，观察到可观的手性磁相互作用。课题组也系统研究了手性磁相互作用与体对称破缺的大小、方向；不同元素自旋轨道耦合强度之间的关联。基于三原子理论模型和第一性原理计算结果，进一步阐明了强自旋轨道耦合效应和体对称破缺的协同作用，是产生手性磁相互作用的物理根源。此项结果有助于揭示手性磁相互作用的物理起源，为设计高性能的自旋电子器件打下基础。
中图为手性磁相互作用随厚度方向上成份梯度的变化趋势。在CoPt和FePt合金膜中，由于Pt的强自旋轨道耦合效应，随着成分梯度的增加，手性磁相互作用也相应变化。而在FeCu，CoCu以及FeNi合金膜中，由于不存在强自旋轨道耦合效应，成份梯度自身不会产生出手性磁相互作用。左下和右上角为具有正、负成分梯度样品的透射电镜数据
清华大学物理系科研助理张琪涵博士、中国科学院宁波材料技术与工程研究所梁敬华助理研究员，兰州大学材料与能源学院2019级博士生毕开琦为文章共同第一作者。清华大学物理系江万军副教授，中国科学院宁波材料技术与工程研究所杨洪新研究员以及兰州大学材料与能源学院彭勇教授为共同通讯作者。论文合作者包括兰州大学物理科学与技术学院的柴国志教授、中科院物理所（东莞散裂中子源）的朱涛研究员，以及德国亥姆霍兹研究院舒尔特海斯（H. Schultheiss）教授等。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京自然科学基金、北京市高精尖芯片中心（ICFC）、北京凝聚态物理国家实验室、浙江省自然科学基金和德国科学基金等项目的支持。
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.167202
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