[论文解读] Very large Dzyaloshinskii-Moriya interaction in two-dimensional Janus manganese dichalcogenides and its application to realize field-free skyrmions

Jinghua Liang, Mairbek Chshiev+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2019

Multiferroics and related materials被引用 3

一句话总结

本研究证明，由于硫属元素（X ≠ Y）的非对称性导致反演对称性破缺，Janus MnXY 单层材料表现出异常大的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI），其大小与最先进的 FM/HM 异质结构相当。第一性原理计算与蒙特卡罗模拟表明，MnSeTe 和 MnSTe 可在低温下实现无外磁场的自旋霍奇金子态，从而实现无需外磁场的手性磁结构。

ABSTRACT

The Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), which only exists in noncentrosymmetric systems, is responsible for the formation of exotic chiral magnetic states. The absence of DMI in most two-dimensional (2D) magnetic materials is due to their intrinsic inversion symmetry. Here, using first-principles calculations, we demonstrate that significant DMI can be obtained in a series of Janus monolayers of manganese dichalcogenides MnXY in which the difference between X and Y on the opposites sides of Mn breaks the inversion symmetry. In particular, the DMI amplitudes of MnSeTe and MnSTe are comparable to those of state-of-the-art ferromagnet/heavy metal (FM/HM) heterostructures. In addition, by performing Monte Carlo simulations, we find that at low temperatures the ground states of the MnSeTe and MnSTe monolayers can transform from ferromagnetic states with worm-like magnetic domains into the skyrmion states by applying external magnetic field. At increasing temperature, the skyrmion states starts fluctuating above 50 K before an evolution to a completely disordered structure at higher temperature. The present results pave the way for new device concepts utilizing chiral magnetic structures in specially designed 2D ferromagnetic materials.

研究动机与目标

• 探究具有反演对称性破缺的二维（2D）磁性材料中 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）的起源及其大小。
• 识别二维 Janus 锰二硫属化物（MnXY）作为具有大 DMI 的有前途候选材料，其原因在于 X 和 Y 硫属元素的非对称性。
• 研究在外部磁场和不同温度条件下，这些材料中自旋霍奇金子态的稳定性和形成机制。
• 基于手性磁结构，评估这些二维材料在低功耗自旋电子器件应用中的潜力。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以确定 MnXY Janus 单层材料的电子结构和 DMI 强度。
• 分析自旋-轨道耦合效应与反演对称性破缺，以量化 DMI 的振幅。
• 利用蒙特卡罗模拟，研究磁序的热稳定性和相变行为。
• 施加外部磁场以诱导自旋霍奇金子态的形成，并研究其随温度的变化行为。
• 将 MnSeTe 和 MnSTe 中的 DMI 值与传统 FM/HM 异质结构中的值进行比较，以进行基准测试。
• 评估在温度和磁场变化下，基态从铁磁蠕虫状畴到自旋霍奇金子态的演化过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 由于反演对称性破缺，是否可在二维 Janus MnXY 单层材料中实现显著的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）？
• RQ2 MnSeTe 和 MnSTe 中的 DMI 大小与最先进的 FM/HM 异质结构相比如何？
• RQ3 在何种条件下，可在这些二维材料中稳定自旋霍奇金子态而无需外加磁场？
• RQ4 温度如何影响 MnSeTe 和 MnSTe 单层材料中自旋霍奇金子态的稳定性和动力学行为？
• RQ5 这些体系中磁序的热演化过程是怎样的，从有序的自旋霍奇金子态到无序相？

主要发现

• MnSeTe 和 MnSTe 单层材料中的 DMI 振幅达到与顶级 FM/HM 异质结构相当的数值，表明存在强烈的手性相互作用。
• 在低温下，施加外部磁场可诱导 MnSeTe 和 MnSTe 从具有蠕虫状畴的铁磁态转变为自旋霍奇金子态。
• 当温度高于 50 K 时，自旋霍奇金子态开始出现涨落，表明这些手性磁结构的热稳定性存在极限。
• 在更高温度下，系统演化为完全无序的磁态，表明长程磁序被破坏。
• 强 DMI 与内在磁各向异性相结合，可在特定条件下实现无外磁场的自旋霍奇金子态形成，表明其在零磁场自旋电子器件中具有应用潜力。
• 结果确立了 MnXY Janus 单层材料作为在二维范德华材料中实现手性磁结构的有前途候选材料。