博文
特邀综述 ——层状手性拓扑磁材料Cr1/3NbS2的磁学特性
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文章信息 Magnetic properties of layered chiral topological magnetic material Cr1/3NbS2 王鹏程, 曹亦, 谢红光, 殷垚, 王伟, 王泽蓥, 马欣辰, 王琳, 黄维 背景介绍 伴随着拓扑材料的出现，拓扑物理学成为了当代凝聚态物理的前沿与热点之一。拓扑特性是描述材料的物理量具有在连续变换下会保持不变的性质，其种类包括拓扑绝缘体、外尔和狄拉克等拓扑半金属、拓扑磁材料等。在磁学领域，拓扑磁具有极为重要的意义。具有非平庸特性的拓扑磁结构在实空间中可以分别以一维、二维和三维形式存在，包括一维磁孤子(magnetic solitons)、二维斯格明子(skyrmions)和三维斯格明子管(skyrmion tube)、磁浮子(magnetic bobber)等等。一维手性磁孤子，类似于磁性斯格明子，是一类具有拓扑性和准粒子性的磁结构，具有丰富的物理特性和潜在应用价值。 Cr1/3NbS2即是一种典型的具有一维磁孤子结构的材料，Cr1/3NbS2晶体具有中心对称破缺的六方层状结构(图1(a))，Cr原子插在两个2H-NbS2六角层之间。在这种中心对称性破缺的磁性晶体中，其相邻自旋磁矩间存在着一种反对称的自旋轨道耦合相互作用，即Dzyaloshinskii-Moriya (DM) 相互作用。反对称的DM相互作用倾向于使层与层之间的相邻自旋磁矩垂直排列，而基于海森伯模型的对称性铁磁交换作用则倾向于使相邻自旋磁矩平行排列，两种作用的相互竞争导致Cr1/3NbS2沿c 轴形成了稳定的螺旋手性磁基态。 图1 (a) Cr1/3NbS2晶体结构示意图，Cr，Nb和S原子分别由蓝色、绿色和黄色球体表示；(b)H⊥c 时，Cr1/3NbS2在TC附近的相图[1]；(c) 五种不同的磁相。 当对Cr1/3NbS2施加不同大小和方向的磁场时，在各种相互作用的共同影响下，显示出丰富多变的磁相[图1(b)]。在TC以上，Cr1/3NbS2显顺磁性(paramagnetism，PM)，而在TC以下，随着外加磁场和温度的改变，会呈现包括手性螺旋磁序(chiral helimagnetic order，CHM)、手性圆锥相(chiral conical phase，CCP)、手性孤子晶格(chiral soliton lattice，CSL)、倾斜手性孤子晶格(tilted chiral soliton lattice，TCSL)和铁磁态(forced ferromagnetic state，FFM)多种不同的磁学相[图1(c)]。文章对相变点处展现出的丰富物理性质进行了总结和讨论。 相比于磁性斯格明子，一维磁孤子具有特殊的单轴螺旋磁结构，因此可以通过改变沿螺旋轴方向的晶界方向或改变材料厚度来有效调控磁孤子数目，讨论一维手性磁孤子的拓扑相变换。南京工业大学王琳教授曾利用Cr1/3NbS2层状可减薄的特性，获得厚度范围在20—300 nm的Cr1/3NbS2超薄晶体[图2(a)]，并通过磁电阻数据[图2(b)]与理论计算[图2(c)-2(h)]证明，可利用磁电阻曲线的跳变次数精确地判断磁孤子数目，从而给出了一种通过厚度调控控制磁孤子数目的有效手段。基于该原理，可以将磁孤子用于设计量子磁存储器件。 图 2 (a) 不同厚度Cr1/3NbS2晶体的光学显微照片[2]；(b) T = 250 mK时，不同厚度Cr1/3NbS2晶体的磁电阻随磁场的变化关系；(c)—(e) 无外加磁场下的Cr原子的自旋 x 分量 (Sx ) 随样品厚度的变化关系，通过理论计算厚度分别为1.5 L0 (c)，2.5 L0 (d)，5.5 L0 (e) 时的情况，其中L0 = 48 nm为无外加磁场下磁孤子周期长度；(f) t = 2.5 L0时，不同磁场下最低能量分布关系；(g)，(h) 不同磁场下对应出现的单个磁孤子 (g) 和无磁孤子 (h)最低能量构型[2] 文章导读 南京工业大学王琳教授研究组的特邀综述文章系统地总结了层状手性拓扑磁材料Cr1/3NbS2的研究成果。文章对拓扑与拓扑磁的定义、发展进行了说明和回顾；系统地讨论了Cr1/3NbS2的晶体结构、合成方法、不同磁相及其形成原因；介绍了Cr1/3NbS2在各个相变点处的磁学特性，总结了利用不同表征手段研究这些相变的实验结果和物理机制；介绍了近年来人们分别利用晶界效应和厚度限制分离和读取Cr1/3NbS2中单个磁孤子；对该领域的未来发展进行了总结和展望。希望该工作可以促使更多研究者们对Cr1/3NbS2产生兴趣，促进发现更多具有类似磁结构的材料类型，并促进拓扑磁材料在自旋电子器件和磁性存储器等方面的应用。 参考文献 [1] Han H, Zhang L, Sapkota D, Hao N, Ling L, Du H, Pi L, Zhang C, Mandrus D G, Zhang Y 2017 Phys. Rev. B 96 094439 [2] Wang L, Chepiga N, Ki D K, Li L, Li F, Zhu W, Kato Y, Ovchinnikova O S, Mila F, Martin I, Mandrus D, Morpurgo A F 2017 Phys. Rev. Lett. 118 257203 作者简介 王琳，南京工业大学先进材料研究院教授、博士生导师。2009 年在武汉大学获得学士学位，2013 年在香港科技大学获得博士学位，2014 年起在瑞士日内瓦大学从事博士后工作，2017 年被南京工业大学聘请为教授和博士生导师。主要研究新型低维纳米材料的生长制备、量子输运、光电特性和存储器件，探讨和发现不同种类材料中的微观电子行为及器件性能。已发表学术论文近50篇，以第一作者/通讯作者身份在Nature Communications, Physical Review Letters, Advanced Materials, NanoToday 等发表论文20 余篇. 曾荣获国际先进材料学会 IAAM 奖章(International Association of Advanced Materials)、欧洲材料学会青年科学家奖 (Young Scientist Award)、江苏特聘教授、江苏省“六大人才高峰”高层次人才A类、首届国家级江北新区“十大杰出青年”、中国青少年科技创新奖等荣誉, 担任国际先进材料协会会员、欧洲先进材料大会科学顾问委员、柔性电子材料与器件工信部重点实验室学术委员会委员等社会兼职。 王伟，南京工业大学先进材料研究院副研究员。2006年和2009年在哈尔滨工业大学获得学士和硕士学位，2015年在南京大学获得理学博士学位，同年起在南京大学从事博士后研究工作，并于2017年在南京大学电子科学与工程学院任职副研究员，2019年加入南京工业大学先进材料研究院，任副研究员。主要研究领域包括二维单晶材料生长、拓扑绝缘体及狄拉克半金属介观输运性质、二维磁性材料、角分辨光电子能谱等等，在探索研究狄拉克材料量子输运、分数量子霍尔效应及自旋电子器件方面有着一定成果。目前已在Physical Review B，Applied Physical Letters，Applied Surface Science 等杂志发表文章30余篇, 其中第一作者和通信作者文章16篇。 全文链接： http://wulixb.iphy.ac.cn/cn/article/doi/10.7498/aps.69.20200007 热点专题
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