清華新聞網(wǎng)4月23日電 近日，清華大學(xué)物理系江萬(wàn)軍課題組在磁性納米薄膜中的手性磁相互作用研究方面取得進(jìn)展。該項(xiàng)研究工作中，江萬(wàn)軍課題組采用材料物性重構(gòu)的方法，通過(guò)引入在厚度方向上具有成分梯度這一體對(duì)稱(chēng)破缺方式，結(jié)合自旋軌道耦合作用，在較厚磁性合金薄膜中實(shí)現(xiàn)了體手性磁相互作用的有效調(diào)控，并進(jìn)一步闡明了手性磁相互作用的物理起源。
江萬(wàn)軍課題組長(zhǎng)期關(guān)注磁性納米薄膜中拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，及其在低能耗自旋器件方面的應(yīng)用潛能。在以往的研究中，大多采用自旋軌道耦合強(qiáng)度不同的重金屬，改變磁性金屬/重金屬的界面軌道雜化強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)手性磁相互作用、拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的調(diào)控。由于界面手性磁相互作用的強(qiáng)度隨磁性層厚度的增加而指數(shù)衰減，并在2-3納米完全消失，所以在較厚的磁性薄膜中不會(huì)出現(xiàn)手性磁相互作用，也不會(huì)產(chǎn)生拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)。
為開(kāi)發(fā)出性能更穩(wěn)定、尺寸更小的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，課題組深入探索了手性磁相互作用的產(chǎn)生機(jī)制。通過(guò)在厚度方向上引入成分梯度的這一體對(duì)稱(chēng)破缺方式，結(jié)合重金屬的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)，采用自主搭建的布里淵光散射系統(tǒng)，在3-9納米厚的FePt、CoPt薄膜中，觀(guān)察到可觀(guān)的手性磁相互作用。課題組也系統(tǒng)研究了手性磁相互作用與體對(duì)稱(chēng)破缺的大小、方向；不同元素自旋軌道耦合強(qiáng)度之間的關(guān)聯(lián)?；谌永碚撃Ｐ秃偷谝恍栽碛?jì)算結(jié)果，進(jìn)一步闡明了強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)和體對(duì)稱(chēng)破缺的協(xié)同作用，是產(chǎn)生手性磁相互作用的物理根源。此項(xiàng)結(jié)果有助于揭示手性磁相互作用的物理起源，為設(shè)計(jì)高性能的自旋電子器件打下基礎(chǔ)。
中圖為手性磁相互作用隨厚度方向上成份梯度的變化趨勢(shì)。在CoPt和FePt合金膜中，由于Pt的強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)，隨著成分梯度的增加，手性磁相互作用也相應(yīng)變化。而在FeCu，CoCu以及FeNi合金膜中，由于不存在強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)，成份梯度自身不會(huì)產(chǎn)生出手性磁相互作用。左下和右上角為具有正、負(fù)成分梯度樣品的透射電鏡數(shù)據(jù)
相關(guān)研究結(jié)果于4月20日以“體對(duì)稱(chēng)破缺誘導(dǎo)的手性磁相互作用（Quantifying the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction Induced by the Bulk Magnetic Asymmetry）”為題發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
清華大學(xué)物理系科研助理張琪涵博士、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所梁敬華助理研究員，蘭州大學(xué)材料與能源學(xué)院2019級(jí)博士生畢開(kāi)琦為文章共同第一作者。清華大學(xué)物理系江萬(wàn)軍副教授，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所楊洪新研究員以及蘭州大學(xué)材料與能源學(xué)院彭勇教授為共同通訊作者。論文合作者包括蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的柴國(guó)志教授、中科院物理所（東莞散裂中子源）的朱濤研究員，以及德國(guó)亥姆霍茲研究院舒爾特海斯（H. Schultheiss）教授等。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京自然科學(xué)基金、北京市高精尖芯片中心（ICFC）、北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、浙江省自然科學(xué)基金和德國(guó)科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.128.167202
供稿：物理系
編輯：李華山
審核：周襄楠
