npj: 斯格明子材料—向高温迈进

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斯格明子是一种类似磁涡旋但具有拓扑保护的磁组态，它具有良好的稳定性和可操控性，有望在赛道磁存储、逻辑运算等自旋电子器件中获得应用。能产生斯格明子组态的材料需具有特定非中心对称晶格，维持这种对称性很多时候需要非磁元素的帮助，同时，重金属类非磁元素还可提供强自旋轨道耦合，有利于产生与斯格明子稳定性密切相关的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)。然而，非磁元素的存在不可避免地降低了磁性原子间的交换相互作用，这便是大多数已发现的斯格明子材料居里温度低于室温的原因。因此，寻找具有高居里温度的斯格明子材料是一个巨大挑战。

来自中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘平研究员团队的罗湖斌博士与德国达姆斯塔特工业大学的张洪彬博士合作，通过第一原理计算发现β-Mn型钴单质具有超过1000 K的居里温度，而且，即使不存在可提供强自旋轨道耦合的重金属元素，其中两种钴近邻原子对间仍能产生强DMI。分析发现强DMI的产生与这些原子间的电子跃迁显著强于其它近邻原子对的现象密切相关，且p轨道在电子跃迁中扮演了重要角色。尽管不同位置原子的DMI能会部分抵消，能量计算表明其基态磁结构为布洛赫型的磁螺旋。根据计算获得的磁参数，自旋动力学模拟表明外加2.9 T的磁场可以让磁螺旋转变为斯格明子态。这些结果为开发高应用温区的斯格明子材料提供了重要理论参考。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 50 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Strong hopping induced Dzyaloshinskii–Moriya interaction and skyrmions in elemental cobalt 

Hu-Bin Luo, Hong-Bin Zhang and J. Ping Liu 

The Dzyaloshinskii–Moriya interaction (DMI) is well known to favor a chiral rotation of the magnetic moments, which accounts for the emergence of the skyrmions. The DMI is a combined effect of spin–orbit coupling with broken inversion symmetry in magnets. Most of the noncentrosymmetric magnetic materials that bear skyrmions involve nonmagnetic elements. This work shows that strong DMIs exist in elemental cobalt with a β-Mn-type metastable structure. The variation of DMI among different cobalt pairs largely follows the variation of hopping magnitude in which p electrons play an important role. Although the DMIs between different atomic pairs partly cancel with each other, the net interaction is sufficient to result in a left-handed Bloch-type spiral. Spin dynamics simulation shows that a critical magnetic field of 2.9 T stabilizes skyrmions at 0 K.

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