通过Dzyaloshinskii-Moriya相互作用操控二维非共线反铁磁体的自旋结构并实现其磁态切换

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Manipulating spin structure and switching in two-dimensional non-collinear antiferromagnets via Dzyaloshinskii-Moriya interaction

非共线反铁磁体中Dzyaloshinskii-Moriya相互作用调控自旋结构及拓扑态研究。通过原子级动力学模拟和三维能量景观分析，发现DMi的引入可稳定二维Mn3Ir的非共线三角自旋结构，其有序度与DMi强度呈非线性关系。实验表明，自旋轨道扭矩能有效调控二维非共线反铁磁体的共面与非共面自旋螺旋性，为基于拓扑自旋结构的自旋电子学器件开发提供新途径。

　　

刘峰|唐宇|潘月|史忠|邱学鹏|周思敏|范伟佳

同济大学物理科学与工程学院，中国上海200092

摘要

在反铁磁自旋电子学的发展中，具有三角自旋结构的非共线反铁磁体成为研究的焦点。然而，与各种新型拓扑行为相关的自旋结构仍然难以控制。在这里，我们采用原子尺度的动态模拟，并通过在二维非共线反铁磁体中引入Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）来实现拓扑自旋结构的稳定。我们的研究发现，DMI的方向和大小与非共线反铁磁自旋结构及其有序程度密切相关，这一点通过三维能量景观得到了阐明。同时，二维反铁磁自旋结构的共面和非共面手性可以通过自旋轨道扭矩来操控。我们的研究为基于手性自旋结构的自旋电子器件提供了关于DMI控制的新见解。

引言

自旋电子学研究与新材料的发展密切相关，特别是磁体和电荷-自旋转换材料。成熟的技术如磁硬盘驱动器、磁随机存取存储器（MRAM）[1,2]，以及新兴的技术如磁跑道存储器[3,4]都是基于铁磁体（FM）和合成反铁磁体（AFM）[5,6]。在过去十年中，人们认识到具有非共线自旋结构的AFM有望结合FM的优势（如高效的读写操作）和AFM的优势（如非易失性、微弱的杂散场和超快动态）[7, [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。同时，各种新型物理现象和效应，如反常霍尔效应（AHE）[16]、拓扑霍尔效应（THE）[17]、自旋极化电流[18]以及无自旋轨道耦合的自旋霍尔效应（SHE）[19]，已被证明与非共线反铁磁自旋结构及其有序程度密切相关。非共线AFM通常表现出三角自旋结构，其中海森堡交换相互作用、Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）和单轴各向异性在稳定相邻自旋之间的120°配置中起着关键作用[20,21]。Tomiyoshi等人从各向异性场和DMI的角度分析了Mn₃Sn中逆几何三角配置的稳定机制[22]。然而，影响非共线反铁磁三角晶格稳定性和自旋有序程度的因素仍不清楚。

DMI代表了在磁相互作用中空间反演对称性破缺下由自旋轨道耦合（SOC）产生的内在效应[23], [24], [25], [26], [27]]。与共线海森堡相互作用不同，DMI在相邻自旋之间诱导垂直的自旋对齐，从而产生拓扑自旋结构。它在磁性、自旋电子学和拓扑物理学中起着关键作用，并将SOC与多种物理现象联系起来。特别是，众所周知的磁磁子（merons）和斯格明子（skyrmions）的形成受到DMI的调控[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]]。这些准粒子有望成为下一代自旋电子存储器和逻辑器件中的信息载体[1,[35], [36], [37], [38]]。在这里，报道了具有反演对称性破缺的非共线反铁磁/重金属多层膜在室温下获得斯格明子[39]。这样的界面被证明可以激发强烈的DMI，从而稳定非共线手性结构。因此，我们在二维（2D）Mn₃Ir中引入DMI，研究其在手性自旋结构和自旋有序起源中的作用。

在这项工作中，使用原子级自旋模型构建了一个2D Mn₃Ir单层，并发现DMI矢量会影响自旋结构。同时，在一定范围内，随着DMI强度的增加，自旋有序程度增加，但当DMI进一步增强时，自旋有序程度会降低。这一结果通过三维能量景观得到了阐明，该景观显示DMI的引入将两个对称的能量最小值转变为一个，从而增强了自旋有序程度。然而，随着DMI的进一步增加，能量最小值向垂直于平面的方向移动，导致平面内的自旋有序程度降低。我们的工作揭示了DMI在非共线AFM的手性自旋结构中的关键作用。此外，我们施加电流以诱导自旋轨道扭矩（SOT），从而驱动2D Mn₃Ir中的共面和非共面自旋手性的切换，通过控制手性实现高效的数据写入。我们的结果为基于反铁磁系统中的手性自旋结构开发高密度、高性能和耐用的自旋电子器件开辟了途径。

模型和方法

我们在VAMPIRE软件包[40], [41], [42]中实现了一个非共线反铁磁Mn₃Ir单层。如图1(a)所示，蓝色的Mn原子在(111)平面上形成Kagome晶格，而灰色的Ir原子是非磁性的。同时，体相Mn₃Ir呈现出属于空间群Pm$\bar{3}$m ($O_h^1$，空间群221) [49]的立方结构。而在我们研究的二维Mn₃Ir中，Mn原子的对称操作被简化，包括恒等操作和二重对称操作

结果与讨论

首先，在没有DMI的情况下，研究了2D Mn₃Ir的自旋动力学。如图1(b)所示，经过场冷却后，大多数反铁磁自旋都是随机取向的，没有建立长程反铁磁有序。然后，我们构建了两种不同的DMI取向，即D1型（头对尾）和D2型（头对头）。这里，D1型和D2型DMI的常数分别为$D=9\times {10}^{?22}J$，对应于图1(c)和1(e)。图1(d)和1(f)展示了自旋

结论

通过原子自旋动力学模拟，我们构建了一个2D Mn₃Ir系统，并证明了DMI能够精确操控Mn₃Ir的自旋结构。经过场冷却后，Mn₃Ir的自旋有序程度最初增加，随后随着DMI的增强而降低。从能量的角度来看，引入适当大小的$D$后，三个子晶格的E_min位于平面内，并且E_min的绝对值随着$D$的增加而增加。然而，随着$D$

CRediT作者贡献声明

刘峰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，形式分析，数据管理，概念化。唐宇：验证，软件，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念化。潘月：撰写 – 原稿，形式分析，数据管理。史忠：监督，资金获取。邱学鹏：监督，资金获取。周思敏：监督，资金获取。范伟佳：撰写 – 审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。