近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心研究員田明亮、周建輝研、朱相德和澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)教授王瀾課題組合作，在層狀手性磁材料拓?fù)浠魻栃?yīng)量子調(diào)控研究中取得進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)，在過(guò)渡金屬硫化物TaS2中插層磁性原子Fe可實(shí)現(xiàn)Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用。通過(guò)一種新型的質(zhì)子門(mén)電壓技術(shù)，研究人員在該體系中插層質(zhì)子，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了DM相互作用以及拓?fù)浠魻栃?yīng)的電調(diào)控。相關(guān)研究成果以Tailoring Dzyaloshinskii–Moriya interaction in a transition metal dichalcogenide by dual-intercalation為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

可調(diào)節(jié)的DM相互作用有助于實(shí)現(xiàn)和操控拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)（如手性磁孤子和磁斯格明子），這是未來(lái)低功耗電子器件的一個(gè)重要研究方向。目前，學(xué)界在很多具有強(qiáng)自旋軌道耦合作用以及空間反演對(duì)稱(chēng)破缺的磁性材料中實(shí)現(xiàn)了各種拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)，但在層狀材料中實(shí)現(xiàn)DM相互作用并不多見(jiàn)。研究團(tuán)隊(duì)以過(guò)渡金屬TaS2為例，通過(guò)Fe插層實(shí)現(xiàn)了破壞空間反演對(duì)稱(chēng)性的手性鐵磁FexTaS2（0.28≤x≤0.33）。通過(guò)理論分析計(jì)算，該團(tuán)隊(duì)證實(shí)了體系中存在較大的DM相互作用，并進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了由DM相互作用導(dǎo)致的拓?fù)浠魻栃?yīng)。然而，電調(diào)控這些材料中的DM相互作用以及拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)面臨挑戰(zhàn)。這是由于很多手性磁結(jié)構(gòu)體系具有大的載流子濃度，傳統(tǒng)的電場(chǎng)調(diào)控以及廣泛運(yùn)用的鋰離子液技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)材料近表面有限的載流子調(diào)控。

王瀾課題組近年來(lái)發(fā)展出一種新型的全固態(tài)質(zhì)子門(mén)電壓技術(shù)，通用電場(chǎng)誘導(dǎo)的質(zhì)子插層能夠?qū)崿F(xiàn)超高載流子濃度的調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)利用這種門(mén)電壓技術(shù)，將質(zhì)子插層到Fe0.28TaS2納米片中，并實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1022 cm-3量級(jí)的載流子濃度的調(diào)控。理論分析發(fā)現(xiàn)，改變系統(tǒng)的載流子能夠進(jìn)一步通過(guò)Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)DM相互作用的調(diào)控。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拓?fù)浠魻栃?yīng)在較小的門(mén)電壓下（-5V）增大了四倍，揭示了對(duì)DM相互作用的極大調(diào)控。研究成果獲得國(guó)外媒體（如Science Daily、Phys. org、EurekAlert等）的報(bào)道。

研究工作獲得澳大利亞研究委員會(huì)基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的支持。

（a）微納器件的原理結(jié)構(gòu)示意圖；（b）不同門(mén)電壓下的霍爾電阻率與外加磁場(chǎng)的洄滯曲線；（c）不同門(mén)電壓下的反?；魻栯娮杪剩ㄗ罂v軸）和拓?fù)浠魻栯娮杪剩ㄓ铱v軸）