《宁波材料所在低维拓扑量子材料探索方面获得重要进展》

  • 来源专题:中科院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2021-04-08
  • 拓扑物态作为一种新的量子物态,包括拓扑绝缘体、拓扑半金属、及拓扑超导体等,是过去十多年来凝聚态物理领域最具吸引力的研究热点之一,拓扑物态的能带结构在倒空间具有拓扑结构,且其宏观物理性质如电输运、热输运等均由电子轨道波函数的拓扑性质决定。这类材料具有独特的量子性质,以拓扑绝缘体为例,它表现出与一般绝缘体完全不一样的量子现象与物性,如拓扑保护的表面态、反弱局域化、量子自旋/反常霍尔效应等。因为拓扑绝缘体的拓扑特性,在自旋电子学、低功耗电子器件以及量子计算机等领域有着广泛的应用前景。由于拓扑对称性保护,拓扑材料的拓扑量子数对局部缺陷和扰动相当不敏感,这就为拓扑材料在量子技术的可能应用提供了无与伦比的先天优势,也正因为如此,越来越受到研究者的高度关注和广泛研究。自从拓扑能带理论提出以后,在现实世界中探索新的拓扑材料就成为一个极具价值的工作。   

    由于热涨落和量子涨落效应随维度的降低而显著增加,具有低维结构的材料常常具有许多新颖的物理特性和应用前景。近年来发现的大部分拓扑材料都具有二维或三维的结构特征,而具有准一维结构的拓扑材料比较少见。中国科学院宁波材料技术与工程研究所量子功能材料团队何少龙研究员课题组近期在低维三元碲化物的奇异量子性质研究中发现了一种新的拓扑半金属材料TaPtTe 5 。课题组对TaPtTe 5 的电输运、Hall和磁阻进行了细致测量和分析,并利用低温磁化率测量研究了该材料的de Haas-van Alphen(dHvA)量子震荡,量子震荡和数据分析结果如图1所示,提取到的两个震荡频率都对应非平庸的贝里相位,第一性原理的能带结构如图2所示,计算的拓扑指数也证实了它是一种弱拓扑的狄拉克半金属材料,该材料是课题组成员继TaPdTe 5 ( Phys. Rev. B,2020,102,075141 )和TaNiTe 5 ( J. Phys. Chem. Lett.,2020,11,1172 )等低维拓扑半金属材料之后在该体系中发现的又一个新拓扑材料,考虑到这类材料的层状低维结构和稳定性,它的发现为拓扑材料的研究和可能应用提供了又一个理想平台。   

    近期该工作以“Anisotropic transport and de Haas-van Alphen oscillations inquasi-one-dimensionalTaPtTe 5 ”为题发表在 Phys. Rev.B,2020,103, 125150 (DOI:10.1103/PhysRevB.103.125150) 。该工作得到国家重点研发计划(2017YFA0303002)、国家自然科学基金(11674367、11974364、U2032207、11974061)、浙江省自然科学基金(LY19A040002)等的支持。

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    • 发布时间:2021-01-12
    • 磁斯格明子是一种非共线磁涡旋结构并受拓扑保护的准粒子。磁斯格明子因其可以做到纳米尺寸、非易失且易驱动从而被认为在下一代自选电子学器件如信息存储、逻辑运算或者神经网络技术等领域将会扮演重要角色。磁斯格明子的形成通常是由使磁矩倾向于垂直排列的反对称交换耦合(Dzyaloshinskii-Moriya interaction,DMI)引起的。DMI同时也是凝聚态物理等基础科学研究中的一个重要物理相互作用,所以DMI的研究和磁斯格明子的研究已然成为当前自旋电子学领域,同时也是量子材料研究热点。    DMI的出现要求打破磁性材料的空间反演对称性以及强的自旋轨道耦合作用(spin-orbital coupling,SOC)。因此目前实验上大多利用磁性薄膜和具有强SOC的重金属薄膜形成异质结来诱导出大的DMI,从而实现磁斯格明子态。但这些材料在实际应用过程中仍有诸如如何保证磁斯格明子的室温稳定性、可控读写和高密度等许多问题亟需解决。另一方面,近年来随着二维铁磁性薄膜的发现,二维材料在自旋电子中的应用越来越受到人们的重视,人们期待能在这些新材料中实现室温稳定可控的磁斯格明子。但是目前已制备出的二维铁磁材料如CrI 3 ,VSe 2 和Fe 3 GeTe 2 等单层薄膜,由于它们晶体结构对称性约束,导致它们都不能产生DMI,这就限制了它们在磁斯格明子领域的应用。为此人们需要探究如何才能在二维磁性材料中诱导出大的DMI,并且实现对磁斯格明子态的调控。    近年来,中国科学院宁波材料技术与工程研究所量子功能材料团队杨洪新研究员一直致力于磁斯格明子材料的研究( Nature Materials 17, 605 (2018); Nature Nanotechnology 11, 449 (2016); Phys. Rev. Lett. 124, 217202 (2020); Phys. Rev. Lett. 115, 267210 (2015); Phys. Rev. B 101, 184401 (2020); Physical Review B 102, 094425 (2020) 等)。近期,该团队提出利用二维多铁材料内禀的Rashba效应,不仅可以诱导出大的DMI,还能实现人们一直寻求的电场调控磁斯格明子。该工作开辟了二维材料中通过多铁性实现磁斯格明子的一体化电学调控新领域,以题为“Electrically switchable Rashba-type Dzyaloshinskii-Moriya interaction and skyrmion in two-dimensional magnetoelectric multiferroics”的论文以Rapid Communication形式发表在 Phys. Rev. B 102, 220409(R) (2020) 。    该团队注意到在具有垂直电极化的二维多铁材料中,其自发电偶极矩导致的电势差会在薄膜中产生强的Rashba效应,由此可以使传导电子在磁性原子间传递DMI,而不要额外的重金属元素来提高材料的SOC。并且利用二维多铁材料的磁电耦合,通过外加电场使电极化矢量翻转的同时也可实现DMI手性的翻转,如图1(a)所示。利用二维多铁材料的这一特性,可以在单一的二维多铁材料中实现可以相互转换的具有不同手性和极性的磁斯格明子态,如图1(b)所示。这可为利用磁斯格明子实现多态存储提供新的思路。为了实现以上的构想,该团队研究了CrN单层薄膜等多种二维多铁材料。他们首先通过第一性原理计算发现CrN单层薄膜中的确出现了DMI并且其大小达到了3.74meV /f.u.。通过分析DMI的能量来源,他们分析发现由简单的Rashba模型出发计算的DMI系数和直接从第一性原理计算得到的DMI是一致的。这两方面的分析表明CrN单层薄膜中的DMI是由体系Rashba效应导致的。利用计算的DMI等磁性参量,他们通过微磁模拟确认了在CrN单层薄膜可以实现磁斯格明子态。最后他们研究了电场对CrN单层薄膜的结构和磁性性质调控,并发现通过外加电场的确可以实现CrN单层薄膜的DMI大小和手性翻转。综合以上研究,研究者们提出了在CrN单层薄膜中可以实现电场对磁斯格明子的翻转调控。   该工作由梁敬华助理研究员,崔琪睿博士和杨洪新研究员合作完成。该工作得到了中科院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目(ZDBS-LY-7021)、国家自然科学基金(11874059)、浙江省杰出青年科学基金(LR19A040002)等项目支持。
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    • 来源专题:中科院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2021-04-09
    • 材料的电阻随外加磁场而变化的行为称为磁阻(MR)效应。自从磁阻效应被发现以来,磁阻材料已被广泛应用于信息存储、传感器等诸多领域。磁性多层薄膜中巨磁阻(GMR)效应的发现,使得磁存储技术产生了质的飞跃。随着器件向更高集成度、更小型化、更高能效的趋势发展,寻找新型的巨磁阻材料一直是凝聚态物理和材料科学的重要研究方向之一。近十年来,随着人们对拓扑材料广泛而深入的研究,许多非磁性半金属材料被发现具有非常大的非饱和磁阻效应,即巨大磁阻(XMR)效应,例如Na 3 Bi中与外磁场线性相关的XMR Science 350, 413 (2015) 以及WTe 2 中与外磁场二次方相关的XMR Nature 514, 205 (2014) 。   稀土金属的单磷族化合物RPn(R为稀土元素Sc、Y、La、Ce等,Pn为第五主族元素N、P、As、Sb、Bi)由于被预测存在拓扑非平庸的电子结构而重新吸引了研究人员的兴趣,却被发现其中都存在XMR现象。关于RPn这类材料中XMR行为的物理起源或微观机理,目前还存在许多争论。部分观点认为其中的XMR来源于拓扑非平庸的电子结构,而另一部分观点则认为是半金属的电子和空穴载流子的平衡在其中起了主要作用,可以用经典的电子-空穴补偿机制来解释其中的XMR。   YBi是RPn材料的典型代表,同样具有XMR效应。有一些理论计算认为YBi具有拓扑非平庸的电子结构,从而把XMR的起源归因于此;而另一些理论计算结合磁电输运实验却认为其中的XMR起源于电子-空穴的补偿机制,而且YBi的电子结构是拓扑平庸的,之所以有拓扑非平庸的结论是由于某些计算方法高估了其中的能带反转。这些争议的存在是由于缺少YBi电子结构的直接实验证据。   因此,中国科学院宁波材料技术与工程研究所量子功能材料团队何少龙研究员课题组利用角分辨光电子能谱(ARPES)直接对YBi的电子结构进行了详细研究。通过YBi电子结构的ARPES实验结果,研究人员直接排除了其中存在能带反转的情形,说明YBi的电子结构是拓扑平庸的,从而排除了其中XMR的拓扑起源。进一步的,科研人员利用ARPES实验结果修正理论计算,得出YBi中的电子和空穴载流子的浓度是平衡的结论,也就是电子-空穴补偿机制可能是其中XMR的主要机制。   该工作以“Direct evidence of electron-hole compensation for extreme magnetoresistance in topologically trivial YBi”为题发表在 Phys. Rev. B 103, 115119 (2021) 。