二维I型多铁异质结中拓扑层霍尔效应的发现与调控机制研究

本研究针对传统层霍尔效应(LHE)依赖动量空间贝里相位且需精细调控能带的局限性，创新性地在CrInSe3/In2S3/CrInSe3二维多铁异质结中提出拓扑层霍尔效应(TLHE)机制。通过对称性分析和原子自旋模型模拟，团队首次实现磁性斯格明子(skyrmion)与层物理的耦合，利用实空间贝里曲率诱导的等效电磁场实现层极化电子输运，其反常霍尔电导率可通过铁电极化和磁化方向双重调控。该成果发表于《Nature Communications》，为拓扑自旋电子学器件设计提供了新范式。

　　

在凝聚态物理和自旋电子学领域，磁性斯格明子(skyrmion)因其独特的拓扑保护特性和纳米级尺寸，被视为下一代信息存储载体的理想候选者。然而，现有研究面临两大瓶颈：一是传统斯格明子调控依赖外部磁场或电流，能耗较高；二是层霍尔效应(LHE)的实现始终受限于动量空间贝里相位对能带结构的严苛要求。与此同时，二维多铁材料的发展为同时操控电、磁序参量提供了新机遇，但如何将其与拓扑自旋纹理相结合仍属空白。

山东大学晶体材料国家重点实验室的研究团队通过理论设计和计算模拟，在CrInSe₃/In₂S₃/CrInSe₃异质结中首次实现拓扑层霍尔效应(TLHE)。该工作创新性地将层自由度与磁性斯格明子的实空间拓扑特性耦合，利用铁电层诱导的非对称磁近邻效应，在相邻CrInSe₃单层中产生截然不同的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)和单离子各向异性。研究论文发表于《Nature Communications》，为解决自旋电子器件的低功耗调控难题提供了全新思路。

研究主要采用三项关键技术：1)基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算，确定异质结的电子结构和磁相互作用参数；2)采用爬坡弹性带(CI-NEB)方法模拟铁电翻转路径；3)构建海森堡自旋哈密顿量，通过Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程模拟斯格明子动力学行为。研究选用200×200超胞体系，在0-110K温度范围和0-1.4T磁场条件下进行模拟。

耦合磁性斯格明子和层物理
通过对称性分析提出新型调控机制：在具有面外极化的铁电层In₂S₃两侧构建CrInSe₃磁性单层。铁电极化(P₊/P_-)反转可交换上下层的磁矩(M/M')和DMI强度(D/D')，实现斯格明子的层锁定。

CrInSe₃/In₂S₃/CrInSe₃的结构与铁电特性
第一性原理计算显示该异质结具有0.7%的晶格失配率。铁电翻转能垒为38meV/原胞，极化强度达3.186pC/m。在P₊相中，顶层Cr磁矩(3.473μ_B)与底层(3.467μ_B)存在显著差异，证实磁电耦合效应。

拓扑层霍尔效应
在0.8T磁场下，(P₊,M₊)相中顶层形成Q=-1的斯格明子晶格(密度1.5×10^-3/nm²)，而底层保持铁磁序。实空间贝里曲率产生等效磁场B^e=-(?/2e)?·(?_xn?×?_yn?)，导致自旋向上电子向右偏转，产生层分辨的反常霍尔电导。

讨论与展望
该研究突破传统LHE对动量空间贝里相位的依赖，首次建立基于实空间拓扑的层分辨输运机制。通过铁电/磁双重调控实现TLHE的四种状态切换，其工作温度可达110K。未来通过优化钒德瓦尔斯磁体居里温度或应变工程，有望实现室温操作。研究成果为开发低功耗拓扑自旋器件开辟新途径，被审稿人评价为"在二维多铁体系中发现全新量子效应"。