在 Ir(110) 上的 Fe 雙層中，原子尺度的 Dzyaloshinskii-Moriya 改性 Yoshimori 螺旋

核心概念

本研究揭示了在未經重構的 Ir(110) 基底上生長的雙層鐵薄膜中，存在一種由競爭性海森堡交互作用驅動的原子尺度自旋螺旋，並受到 Dzyaloshinskii-Moriya 交互作用的影響，形成獨特的旋向性。

摘要

在 Ir(110) 上的 Fe 雙層中，原子尺度的 Dzyaloshinskii-Moriya 改性 Yoshimori 螺旋

本研究旨在探討在未經重構的 Ir(110) 基底上生長的雙層鐵薄膜的磁性基態及其形成機制。

研究人員結合了自旋極化掃描穿隧顯微鏡 (SP-STM) 和基於密度泛函理論 (DFT) 的第一性原理計算，對 Ir(110) 基底上生長的雙層鐵薄膜進行了實驗和理論研究。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Atomic-scale Dzyaloshinskii-Moriya-modified Yoshimori spirals in Fe double layer on Ir(110)

by Timo... 於 arxiv.org 11-20-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.12642.pdf

深入探究

這項研究發現的自旋螺旋結構在自旋電子學器件中有哪些潛在應用？

在自旋電子學器件中，信息依靠電子的自旋屬性進行編碼和傳輸。這項研究中發現的 自旋螺旋結構 具有以下幾個特點，使其在自旋電子學器件中具有潛在應用價值：

非易失性: 自旋螺旋結構是一種穩定的磁性基態，即使在沒有外部磁場的情況下也能夠保持其自旋排列。這意味著基於自旋螺旋結構的器件可以具有非易失性存儲能力，即在斷電後仍能保留信息。
原子級尺寸: 自旋螺旋結構的尺寸在納米級別，甚至可以達到原子級別。這使得基於自旋螺旋結構的器件可以實現更高的存儲密度和更小的器件尺寸。
可操控性: 研究表明，自旋螺旋結構可以通過外部刺激（例如電流、磁場或溫度）進行操控。這為設計基於自旋螺旋結構的可控自旋電子學器件提供了可能性。

基於以上特點，自旋螺旋結構在以下自旋電子學器件中具有潛在應用：

磁隨機存取存儲器 (MRAM)：自旋螺旋結構可以用於構建新型 MRAM 器件，實現更高的存儲密度、更快的讀寫速度和更低的功耗。
自旋邏輯器件: 自旋螺旋結構可以用於構建邏輯門等自旋邏輯器件，實現信息的處理和運算。
自旋波器件: 自旋螺旋結構可以作為自旋波的傳輸通道，用於構建自旋波器件，實現信息的無線傳輸和處理。
然而，目前將自旋螺旋結構應用於實際器件還面臨著一些挑戰，例如需要尋找在室溫下穩定存在的自旋螺旋材料，以及開發高效操控自旋螺旋結構的方法等。

如果使用其他具有強自旋軌道耦合的重金屬基底（例如 Pt 或 Au）代替 Ir(110) 基底，是否會觀察到類似的自旋螺旋結構？

使用其他具有強自旋軌道耦合的重金屬基底（例如 Pt 或 Au）代替 Ir(110) 基底，有可能會觀察到類似的自旋螺旋結構，但並不一定。這是因為自旋螺旋結構的形成是一個複雜的過程，受到多種因素的影響，包括：

Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI)：DMI 是一種由自旋軌道耦合引起的非對稱交換相互作用，它有利於形成具有特定旋性的自旋螺旋結構。Pt 和 Au 都具有強自旋軌道耦合，因此也可能產生顯著的 DMI。
Heisenberg 交換相互作用: Heisenberg 交換相互作用是磁性材料中最基本的相互作用，它決定了材料是傾向於形成鐵磁、反鐵磁還是其他更複雜的磁性結構。不同基底材料的電子結構和晶格結構不同，會導致 Heisenberg 交換相互作用的強度和方向發生變化，從而影響自旋螺旋結構的形成。
磁晶各向異性: 磁晶各向異性是指材料在不同方向上的磁化難易程度不同。基底材料的磁晶各向異性會影響自旋螺旋結構的取向和穩定性。
因此，即使使用具有強自旋軌道耦合的 Pt 或 Au 基底，也需要具體分析 DMI、Heisenberg 交換相互作用和磁晶各向異性等因素的綜合影響，才能確定是否會形成自旋螺旋結構，以及形成的自旋螺旋結構的具體特徵。

如何利用外部刺激（例如電流、磁場或溫度）來操控這種自旋螺旋結構？

外部刺激可以通過影響自旋螺旋結構的能量和穩定性來操控其行為。以下是一些利用外部刺激操控自旋螺旋結構的可能方法：

電流:

自旋轉移矩: 通過電流注入自旋極化電子，可以產生自旋轉移矩，從而驅動自旋螺旋結構運動或改變其旋性。
自旋霍爾效應: 在具有強自旋軌道耦合的材料中，電流可以產生自旋流，進而產生自旋霍爾效應，對自旋螺旋結構施加力矩。

磁場:

塞曼效應: 外部磁場可以通過塞曼效應直接作用於自旋螺旋結構中的磁矩，改變其能量和取向。
磁場梯度: 磁場梯度可以驅動自旋螺旋結構向能量更低的方向移動。

溫度:

熱激活: 溫度升高可以提供熱激活能量，使自旋螺旋結構克服能量势垒，發生相變或改變其形態。
磁卡效應: 某些材料在特定溫度下會發生磁卡效應，即磁化強度隨溫度變化而發生突變。利用磁卡效應可以實現對自旋螺旋結構的快速操控。

需要注意的是，具體的操控方法和效果取决于自旋螺旋结构的具体材料体系和结构特征。例如，对于由 DMI 稳定化的自旋螺旋结构，可以通过施加垂直于 DMI 向量方向的磁场来改变其旋性。而对于由竞争性 Heisenberg 交換相互作用稳定化的自旋螺旋结构，可以通过施加平行于螺旋轴的电流来驱动其运动。