近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心研究員田明亮、周建輝研、朱相德和澳大利亞皇家墨爾本理工大學教授王瀾課題組合作，在層狀手性磁材料拓撲霍爾效應量子調控研究中取得進展。研究發(fā)現(xiàn)，在過渡金屬硫化物TaS2中插層磁性原子Fe可實現(xiàn)Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用。通過一種新型的質子門電壓技術，研究人員在該體系中插層質子，并進一步實現(xiàn)了DM相互作用以及拓撲霍爾效應的電調控。相關研究成果以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。

可調節(jié)的DM相互作用有助于實現(xiàn)和操控拓撲磁結構（如手性磁孤子和磁斯格明子），這是未來低功耗電子器件的一個重要研究方向。目前，學界在很多具有強自旋軌道耦合作用以及空間反演對稱破缺的磁性材料中實現(xiàn)了各種拓撲磁結構，但在層狀材料中實現(xiàn)DM相互作用并不多見。研究團隊以過渡金屬TaS2為例，通過Fe插層實現(xiàn)了破壞空間反演對稱性的手性鐵磁FexTaS2（0.28≤x≤0.33）。通過理論分析計算，該團隊證實了體系中存在較大的DM相互作用，并進一步在實驗上觀測到了由DM相互作用導致的拓撲霍爾效應。然而，電調控這些材料中的DM相互作用以及拓撲磁結構面臨挑戰(zhàn)。這是由于很多手性磁結構體系具有大的載流子濃度，傳統(tǒng)的電場調控以及廣泛運用的鋰離子液技術只能實現(xiàn)材料近表面有限的載流子調控。

王瀾課題組近年來發(fā)展出一種新型的全固態(tài)質子門電壓技術，通用電場誘導的質子插層能夠實現(xiàn)超高載流子濃度的調控。研究團隊利用這種門電壓技術，將質子插層到Fe0.28TaS2納米片中，并實現(xiàn)了高達1022 cm-3量級的載流子濃度的調控。理論分析發(fā)現(xiàn)，改變系統(tǒng)的載流子能夠進一步通過Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida機制來實現(xiàn)對DM相互作用的調控。實驗發(fā)現(xiàn)拓撲霍爾效應在較小的門電壓下（-5V）增大了四倍，揭示了對DM相互作用的極大調控。研究成果獲得國外媒體（如Science Daily、Phys. org、EurekAlert等）的報道。

研究工作獲得澳大利亞研究委員會基金、國家自然科學基金、中科院青年創(chuàng)新促進會的支持。

（a）微納器件的原理結構示意圖；（b）不同門電壓下的霍爾電阻率與外加磁場的洄滯曲線；（c）不同門電壓下的反?；魻栯娮杪剩ㄗ罂v軸）和拓撲霍爾電阻率（右縱軸）