南开科研团队在室温二维拓扑磁性材料设计开发方面取得重要进展

　　（通讯员 程丹）近日，南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室付学文教授团队联合华南师范大学侯志鹏教授团队、美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授团队、中国科学技术大学向斌教授团队和中国科学院理论物理研究所沈希副研究员团队在室温二维拓扑磁性材料设计开发方面取得重要进展，该研究2025年9月4日以“Intercalation-Engineered Out-of-Plane Polarized van der Waals Ferromagnetic Superlattice with Room-Temperature Neel-Type Skyrmion”（插层调控的面外极化范德华铁磁超晶格及其室温奈耳型斯格明子）为题，发表于《ACS Nano》。

　　该研究提出了一种“两步插层—脱嵌”的方法，在Cr基二元二维范德华磁体中实现了一种沿垂直方向极化的一维超晶格结构。这一独特结构打破了晶体沿c轴方向的空间反演对称性，诱导出明显的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用，从而实现了高密度的Néel型磁性斯格明子。通过调控Cr的插层比，研究团队首次在二元化合物中实现了室温、亚100 nm尺度的Néel型斯格明子，为设计开发低功耗、高密度的二维拓扑磁电功能器件提供了新材料平台。

　　磁斯格明子是一种具有拓扑保护的涡旋状自旋排布，具有小尺寸、高稳定的准粒子特性，被认为是理想的新一代逻辑信息载体，在赛道储存器、磁性隧道结、类脑计算等领域具有广阔的应用前景。DM相互作用使近邻自旋非共线排列，是形成斯格明子的重要物理机制。获得DM相互作用需要满足特定对称性破缺的晶体结构，传统磁斯格明子材料体系主要集中在天然中心对称性破缺的手性磁体MnSi、Cu₂OSeO₃，以及镜面反演对称性破缺的磁性金属异质多层膜Ta/CoFeB/TaO_x等三维体系中。二维范德华（2D vdW）磁性材料因其层状结构和丰富的量子特性，在自旋电子学和拓扑磁学研究中受到广泛关注。但大多数磁性二维材料空间反演对称的晶体结构限制了本征DM相互作用，无法实现磁斯格明子及拓扑磁性方面的应用。因此，如何在磁性二维材料中引入DM相互作用，实现室温下小尺寸磁斯格明子，是当今材料科学、凝聚态物理、乃至信息技术领域的一个前沿热点问题。

　　研究团队去年基于三元磁性二维材料Fe₃GaTe₂（空间反演对称），通过Fe_i原子非对称空位调控引入Fe_ii原子偏移导致的镜面反演对称性破缺，首次开发出了室温、亚100 nm磁斯格明子三元化合物二维拓扑磁性材料Fe_3-xGaTe₂体系（Nature Communications 15 (1), 1017（2024））。在此项研究中，研究团队进一步提出了一种“两步插层—脱嵌”的方法，基于二元磁性二维材料CrTe₂，设计开发出了一种沿垂直方向极化的一维超晶格结构自插层磁性二维材料Cr_1+xTe₂。与以往所有报道过的自插层Cr_1+xTe₂不同，团队通过该新方法制备的自插层Cr_1+xTe₂只沿着c轴方向具有独特的超晶格调制，打破了晶格沿c轴方向的空间反演对称性，诱导出明显的DMI，从而实现了高密度的Néel型磁性斯格明子。特别是，该“两步插层—脱嵌”方法具有强大的原子插层比可调性，通过调控Cr原子的插层比例，研究团队首次在二元化合物中实现了室温、亚100 nm尺度的高密度Néel型斯格明子，室温下其最小尺寸可达80 nm。这一优越的室温斯格明子性能为构建二维拓扑磁电功能器件提供了理想的新型二元化合物二维拓扑磁性材料平台。

　　图1. Cr
_1.5Te
₂的结构表征

　　图2. Cr
_1.
4Te
₂中室温Néel型斯格明子与样品厚度及磁场的相关性

　　南开大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位。南开大学博士生邓颖和博士后李泽方、广东工业大学讲师李冠祺、中国科学院理论物理研究所副研究员沈希为该论文共同第一作者，中国科学技术大学向斌教授、华南师范大学侯志鹏教授、美国布鲁克海文国家实验室Yimei Zhu教授、南开大学付学文教授为共同通讯作者。该研究得到了国家科技部、国家自然科学基金委、天津市科技局、南开大学中央高校基础研究经费等的大力支持。

　　论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c10466