石墨烯和鐵磁金屬界面可以實現大的DMI

石墨烯和鐵磁金屬界面可以實現大的DMI

磁斯格明子，一種受拓撲保護的磁渦旋結構（如圖1），因其可以做到納米尺寸、非易失且易驅動從而非常適合應用在信息存儲、邏輯運算或者神經網絡技術等領域，是近些年來自旋電子學研究的熱點。然而要實現磁斯格明子在自旋電子學器件上的應用還要解決諸如其室溫下的穩定性、可控讀寫、高密度以及與當前磁存儲結構兼容等諸多問題。解決上述問題的物理本質是找到適宜的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）及垂直磁各向異性材料結構。



中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員楊洪新自2012年起就開展DMI方面的工作，曾與Mairbek Chshiev教授、Andrea Thiaville教授以及諾貝爾獎得主Albert Fert等合作發展了基于第一性原理計算界面DMI的方法，成功地從第一性原理角度揭示了鐵磁金屬和重金屬界面Fert-Levy型DMI的物理圖象（如圖2左）[HY et et al.Phys.Rev.Lett.115,267210(2015);O.Boulle,J.Vogel,HY et al.Nature Nanotech.11,449(2016)]，鐵磁金屬與重金屬界面也是當前拓撲磁結構研究最多的體系，然而，Fert-Levy機制要求非磁襯底提供強SOC才能產生較大DMI（如圖2左上），從而導致襯底材料的選擇要多從5d等重金屬材料中做出，而重金屬的存在，一般會影響存儲器件的讀寫效率，并與當前工業界普遍使用的磁隧道結存儲結構不兼容，使制造工藝復雜化，因而如何突破重金屬的限制，即突破Fert-Levy機制實現較大DMI，成為該領域的一大難題。

為解決這一問題，楊洪新及其合作者對鐵磁金屬和石墨烯界面進行了深入研究，其結構如圖1所示，發現在單層Co與石墨烯界面可以誘導高達1.14meV的DMI，而三層Co與石墨烯界面則可以誘導強度為0.49meV的DMI，其強度完全可以與部分鐵磁金屬/重金屬界面DMI相比，更為有意思的是，該體系的物理機制完全不同于Fert-Levy型DMI，從圖2可以看到，在Co/Pt結構中，DMI在界面鐵磁層Co層最大，而其能量來源，即SOC能量并非來自Co層，而是來自界面的貴金屬Pt層；在graphene/Co中，DMI和SOC能量則都在Co層內，該差別的物理本源是因為在graphene/Co的界面DMI是Rashba效應誘導的DMI（如圖2右），而Co/Pt界面為Fert-Levy型。為驗證Rashba效應誘導的DMI，楊洪新與其合作者進一步通過第一性原理計算了不同磁方向上的能帶變化進而計算出Rashba系數，從Rashba系數計算出DMI大小為0.18meV，與第一性原理計算所得0.49meV在同一量級（如圖3）[HY et al.Nature

 與理論計算同步，Lawrence Berkeley國家實驗室博士陳宮（本工作的共同第一作者）和教授Andreas Schmid等在實驗上獨立測量到了Co/Graphene界面上的DMI。如圖4所示，在Ru/Co界面，DMI為-0.05meV，而在Ru/Co/graphene雙界面中則為0.11meV，可以計算出Co/graphene界面DMI為0.16meV，與第一性原理和Rashba效應計算出來的DMI吻合得很好。

最后，考慮到在graphene/Co界面處的DMI手性為反時針，而在graphene/Ni結構中，當Ni厚度低于2個原子層時，其DMI為順時針，因而可以反轉grephene/Ni堆疊結構到Ni/graphene以反轉其DMI手性，從而實現graphene/Co/Ni/graphene多層結構中DMI的增強，更為有意思的是，在該結構中垂直磁各向異性也是隨著異質結數的增加而增加，實現了多層堆疊同時調控垂直磁各向異性和DMI，從而對拓撲磁結構的調控提供了更多選擇（如圖5所示）。



綜上所述，石墨烯和鐵磁金屬界面可以實現大的DMI，區別于Fert-Levy模型，其物理機制是Rashba效應誘導的，該結構突破了界面DMI對重金屬的依賴。另外，考慮到Co/graphene界面還具有巨大垂直磁各向異性[HY et al.Nano letters 16,145(2015)]，而且兩者都可以很容易地在Co/graphene界面得到調控，可以預見該系列工作將會對石墨烯自旋電子學和拓撲磁結構自旋軌道電子學的科學研究和應用提供更多可能。



該工作理論部分由楊洪新與法國格勒諾布爾大學、法國國家科學研究中心及法國原子能中心的SPINTEC實驗室教授Mairbek Chshiev、法國國家科學研究中心與Thales聯合物理實驗室教授Albert Fert等合作完成，實驗部分由陳宮和Andreas Schmid等合作完成。該工作得到了European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation Programme(Graphene Flagship)以及法國ANR ULTRASKY，SOSPIN，Genci-Cines項目、美國的Office of Science,Office of Basic Energy Sciences,DOE,Office of the President Multicampus Research Programs and Initiative等項目以及中組部青年千人計劃項目和寧波市3315項目的支持。

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