通过插入铁原子质子在层状材料中诱导和调整自旋相互作用

允许通过电控制进行自旋操纵的磁-自旋相互作用允许在节能自旋电子设备中的潜在应用。一种被称为 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用(DMI)的反对称交换对于形成各种手性自旋纹理(例如斯格明子)至关重要，并允许它们在节能自旋电子器件中的潜在应用。

本周发表的一项中澳合作首次表明，DMI 可以通过嵌入铁原子在层状材料硫化钽 (TaS 2 ) 中诱导，并且可以通过栅极诱导质子嵌入进一步调整。

寻找具有手性自旋纹理的层状材料，如斯格明子、手性畴壁对于进一步的低能量纳米器件至关重要，因为这些手性自旋纹理是拓扑自旋电子器件的构建块，并且可以由超低电流密度驱动。

通常，手性自旋纹理由 DMI 稳定。因此，在材料中引入和控制 DMI 是寻找和操纵手性自旋结构的关键。

“硫化钽是 FLEET 研究的用于低能量应用的过渡金属二硫属化物 (TMDC) 大家族之一，”该研究的第一作者、FLEET 研究员郑国林博士 (RMIT) 说。

固体质子导体上的霍尔棒器件，用于测量不同条件下的霍尔电阻率。信用：舰队

该团队首先通过嵌入Fe原子在层状材料硫化钽(TaS 2)中成功实现了相当大的DMI 。

然而，对 DMI 进行电气控制变得具有挑战性：

“传统的电场门控和广泛使用的离子液体 (Li + ) 门控替代技术都在流动铁磁体中 DMI 的电气控制方面遇到了绊脚石，因为电场和 Li +只能调制靠近地表的载体，”郭林解释说。

为了解决调整 DMI 的这个限制，RMIT 的小组最近开发了一种新的质子门技术，并成功地说明了 DMI 可以通过门诱导的质子嵌入来显着控制。

通过栅极电压增加质子的嵌入，该团队能够显着改变载流子密度并通过 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) 机制进一步调整 DMI，该机制指的是核磁矩的耦合。

信用：舰队

“在几伏电压下观察到的拓扑霍尔电阻率在质子嵌入后增加了四倍多，表明 DMI 大幅增加，”共同作者 A/Lan Wang 教授(也在 RMIT)说。

“通过质子门成功调整手性磁铁 Fe 插层 TaS 2 中的 DMI可以实现手性自旋结构的电控制以及在节能自旋电子器件中的潜在应用，”合著者、田明良教授说。舰队合作伙伴研究员和中心合作组织高磁场实验室(安徽省)的主任。

“通过双重嵌入在过渡金属二硫属化物中定制 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用”于2021 年 6 月发表在《自然通讯》上。

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