PRL：电场控制第一类多铁的拓扑数翻转

纳米尺寸的拓扑磁结构（skyrmionic topological spin patterns）近年来备受关注。因其具有超小的尺寸和受拓扑保护的稳定性，拓扑磁结构有望应用于下一代的自旋电子学器件，例如高密度磁记录元件。拓扑磁结构的产生通常由具有手性的DM相互作用（Dzyaloshinskii-Moriya interaction）造成的。其拓扑性质由拓扑数（Q）来表征：

非零的拓扑数可由拓扑霍尔效应测得（相应的霍尔电导为）。除了skyrmions外，较为常见的拓扑磁结构还有bimerons（见图1）。Skyrmions和bimerons都可以具有Q = +1或者Q = -1的结构。

图1. 左图和右图分别为拓扑数为-1和+1的bimerons。在VOI₂体系中，它们分别对应于电场（以及铁电极化）向左和向右。黑色箭头表示自旋矢量的面内分量，红色和蓝色分别代表自旋矢量的面外分量，即向上和向下图中白色箭头描绘了两种bimerons中不同的涡旋和反涡旋。

对于拓扑磁结构的应用，一个关键的问题是如何实现对磁结构的高效操控。此前的工作通过施加脉冲磁场、极化电流或者热激发来实现拓扑磁结构的写入和擦除。实际上，电场进行调控是最方便最节能的方式。在这个工作中，美国阿肯色大学徐长松博士、L. Bellaiche教授和复旦大学向红军教授等人提出了一种EPDQ机制来实现电场（E）下的拓扑数（Q）在+1和-1之间的可控翻转；该机制的实现依赖于铁电极化（P），DM相互作用（D）和磁各向异性的帮助。他们通过密度泛函理论计算（DFT）和蒙特卡洛（MC）模拟，证实该EPDQ机制可以在VOI₂体系中实现，并将该体系拓展到其他第一类多铁材料。

图2. VOI₂的P-E loop。其插图表示不同铁电状态下的磁结构（magenta为正，cyan为负）。对于极化为零的中间顺电态，磁结构为面外方向（红色表示向外，蓝色表示向里）的铁磁磁畴。

在某些第一类多铁材料中，过渡金属不仅产生磁性，其位移还会导致铁电极化。如果这种体系同时具有的拓扑磁性，它就很可能通过EPDQ机制来实现拓扑数的翻转。具体来讲，电场E可以控制极化P的翻转；极化翻转同时也是磁性原子位置的移动，就会改变DM矢量（或者它的某个分量）的方向；DM相互作用的变化又引起磁结构的变化，最终导致拓扑数反号。该EPDQ机制为电控磁提供了一种新的思路，也为拓扑磁结构在自旋电子学中的应用提供了一种低能耗的解决方案。

相关论文发表于Physical Review Letters。

原文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.037203

Electric-field switching of magnetic topological charge in type-I multiferroics

Changsong Xu, Peng Chen, Hengxin Tan, Yurong Yang, Hongjun Xiang*, L. Bellaiche*

Phys. Rev. Lett., 2020, 125, 037203, DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.037203

向红军教授介绍

向红军，复旦大学教授。1997-2006 年就读于中国科学技术大学，并获学士和博士学位，2006-2009 年在美国北卡州立大学和美国可再生能源国家实验室以博士后身份开展研究。主要从事计算凝聚态物理研究，在多铁性的理论研究和计算方法发展等方面取得了进展。研究成果以第一或通讯作者身份发表在Phys. Rev. Lett. , Nat. Mater., Nature Commun.等期刊上。共发表论文100 多篇，其中Phys. Rev. Lett. 30 篇。曾获2008 年全国百篇优秀博士论文奖，2015起连续被爱思唯尔（Elsevier）评选为中国高被引学者，2018年获国际理论物理中心ICTP 奖，2018年获基金委“国家杰出青年”科学基金资助。

X-MOL导师介绍:

向红军

https://www.x-mol.com/university/faculty/62808