范德瓦耳斯双层中磁性天旋星的磁电印记

แนวคิดหลัก

通過近場相互作用,局部偶極矩和自旋矩之間存在等週期的雙射關係。這種磁電印記效應不僅擴展了創造電性天旋星的策略,而且為全電性讀取/操縱磁性天旋星提供了一種方法。

บทคัดย่อ

本文提出了一種稱為磁電印記(MEI)的機制,通過將磁性天旋星(M-天旋星)擦拭到相鄰的鐵磁層,可以生成電性天旋星(E-天旋星)。從微觀上看,偶極矩來自於電子雲的畸變,這取決於自旋方向。

基於這種MEI效應,可以使用純電場方法讀取和操縱M-天旋星。作者主要基於第一性原理密度泛函理論(DFT)計算和自旋格子模型的原子模擬進行了研究。

首先,作者研究了CrTeI雙層的滑動鐵電性,發現在層間滑動過程中會產生垂直偶極矩。當自旋在頂層自由旋轉時,偶極矩的在平面分量會同步旋轉,形成一個圓錐軌跡。這種自旋依賴的偶極矩源於自旋軌道耦合。

接下來,作者提出了MEI機制,即M-天旋星可以通過近場相互作用映射到相鄰層的E-天旋星。作者通過DFT計算和自旋格子模型模擬,證實了這種MEI效應,並且發現在適當的應變條件下,M-天旋星和E-天旋星可以同時穩定存在。

這種MEI效應不僅擴展了創造E-天旋星的策略,而且為全電性讀取和操縱磁性拓撲態提供了一種新方法,具有重要的應用前景。

สถิติ

在CrTeI雙層中,隨著自旋方向的變化,偶極矩的在平面分量(Px, Py)可以同步旋轉,振幅約為1.4 pC/m。
在-5%的壓縮應變下,最近鄰鐵磁交換(J1)被抑制約50%,而DMI(D)只被抑制約25%,有利於穩定M-天旋星。
在頂層和底層的磁性交換參數存在差異,有利於在不同層中穩定M-天旋星和E-天旋星。

คำพูด

"通過近場相互作用,局部偶極矩和自旋矩之間存在等週期的雙射關係。"
"這種磁電印記效應不僅擴展了創造電性天旋星的策略,而且為全電性讀取/操縱磁性天旋星提供了一種方法。"

ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญจาก

Magnetoelectric imprint of skyrmions in van der Waals bilayers

by Zhong Shen, ... ที่ arxiv.org 10-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2409.19879.pdf

สอบถามเพิ่มเติม

如何進一步提高MEI效應的效率和靈活性,以實現更高性能的磁電器件?

要進一步提高磁電印記（MEI）效應的效率和靈活性，可以考慮以下幾個策略：

材料選擇與設計：選擇具有更強的自旋軌道耦合（SOC）和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）的材料，這將有助於增強M-skyrmions的穩定性和可操控性。例如，使用重元素的化合物可以增強SOC，從而提高MEI效應的強度。

結構優化：通過調整雙層結構的堆疊順序和層間距，來優化磁性和電性耦合。這樣的結構調整可以改變層間的相互作用，進而影響MEI效應的表現。

外部場的應用：利用外部電場或磁場來調整系統的能量狀態，這樣可以在不同的操作條件下靈活地控制E-skyrmions的生成和操控。

多層結構的探索：引入多層結構或異質結構，通過不同層之間的相互作用來增強MEI效應。這樣的設計可以實現更複雜的磁電耦合現象，並提高器件的性能。

動態調控技術：開發基於光或電場的動態調控技術，這將使得在實時操作中能夠快速改變E-skyrmions的狀態，從而提高器件的靈活性和響應速度。

如果在雙層中引入其他磁性元素或拓撲結構,會對MEI效應產生什麼影響?

在雙層中引入其他磁性元素或拓撲結構將對MEI效應產生顯著影響，具體表現在以下幾個方面：

增強的磁性耦合：不同的磁性元素可以引入新的磁性相互作用，這可能會改變M-skyrmions的穩定性和形成機制。例如，某些過渡金屬的引入可能會增強DMI，從而促進M-skyrmions的生成。

拓撲結構的影響：引入拓撲結構（如拓撲絕緣體或拓撲超導體）可能會改變電子的傳輸特性，進而影響E-skyrmions的行為。這樣的結構可以提供新的通道來操控和讀取磁性拓撲態。

多樣化的磁電耦合：不同的磁性元素和拓撲結構的組合可以實現更豐富的磁電耦合現象，這將有助於開發新型的磁電器件，並提高其性能。

相互作用的調整：不同元素之間的相互作用可以調整MEI效應的強度和範圍，這樣可以根據具體需求來設計和優化器件性能。

MEI效應是否可以應用於其他類型的磁性拓撲態,如磁極子或磁單極子,以實現更豐富的磁電耦合現象?

MEI效應確實可以應用於其他類型的磁性拓撲態，如磁極子或磁單極子，這將實現更豐富的磁電耦合現象，具體表現在以下幾個方面：

拓撲態的多樣性：磁極子和磁單極子具有獨特的拓撲特性，這些特性可以與MEI效應相結合，形成新的磁電耦合現象。例如，磁單極子的存在可能會導致新的電場響應，進而影響E-skyrmions的行為。

增強的操控能力：通過MEI效應，可以實現對磁極子和磁單極子的電場操控，這將使得在磁性拓撲態的應用中，能夠以更低的能量消耗進行操作。

新型器件的開發：結合MEI效應的磁極子和磁單極子可以用於開發新型的磁電器件，如高效的記憶體和邏輯元件，這些器件將具備更高的性能和更低的能耗。

豐富的物理現象：MEI效應與其他磁性拓撲態的結合將可能引發新的物理現象，這些現象可以進一步推動材料科學和凝聚態物理的研究，並開啟新的應用領域。