在二维多铁材料中具有近零霍尔角和电可切换性的混合磁性斯格明子

为未来电子学旋转的图案

在某些磁性材料中，被称为斯格明子的微小磁性旋涡可作为信息位，展现出更快、更高效的存储与逻辑潜力。然而在大多数材料中，这些旋涡在电流驱动下会横向漂移，容易撞上器件边界而消失。本文探讨了一种新型二维材料，它能承载一种特殊的斯格明子——其运动可被导向直线前进，且可通过电场和温和拉伸来控制，指向基于原子自旋而非仅靠移动电荷的低功耗、高度可编程电子器件。

具有内置双重性格的平面材料

研究者聚焦于一种名为 TcIrGe2Se6 的单原子层化合物。这一超薄片层是“多铁”的，意味着它同时具备磁性和可上下翻转的电极化。在晶体中，不同原子构成六角框架，一对锗原子略微突出平面。该微小的垂直位移打破了晶格对称性并产生可用外加电压切换的电偶极子。与此同时，钝变元素（technetium）原子携带的磁矩可以形成复杂排列。通过先进的量子力学计算，作者确认该单层结构稳定、铁磁性可持续至约330 K（接近室温），且翻转电极化所需的能垒适中，这些都是器件所需的良好特性。

混合扭曲如何产生混合旋涡

在大多数承载斯格明子的材料中，邻近自旋之间的一种细微相互作用——德扎洛希斯基–莫里亚（Dzyaloshinskii–Moriya）相互作用，会以纯径向或纯切向方式扭转自旋，从而产生两种经典的斯格明子类型。TcIrGe2Se6 则不同，其晶体对称性允许这两种扭转方向在同一平面内共存。作者表明，平面内的扭曲可分解为与磁性原子之间键线平行与垂直的分量，这两部分均有显著大小。这样的混合扭曲稳定了“混合”斯格明子，其自旋在介于两种标准情形之间倾斜的平面内旋转，从而带来一种额外的内部自由度——螺旋度（helicity）。关键是，翻转材料的电极化会反转这种扭曲的方向，因此斯格明子的旋转方向或手性可以纯粹通过电场来切换。

保持斯格明子稳定并直线运动

要在技术上可用，这些磁性旋涡必须在热和磁场下保持稳定，并在电流驱动下可预测地移动。通过大规模自旋模拟，团队绘制了斯格明子图案随温度和外加磁场演化的图谱。他们发现 TcIrGe2Se6 中的混合斯格明子在很宽的范围内存在，包括从接近绝对零度到约280 K 的温度，以及高达约17 特斯拉的磁场。斯格明子可以非常小，尺度约为十纳米，适合高密度数据存储。通过分析其运动，作者显示特殊的混合扭曲角导致的横向漂移（即斯格明子霍尔效应）几乎消失。实际上，在施加电流时，混合斯格明子几乎沿电流方向精确移动，从而避免与器件边界发生破坏性碰撞。

电和机械的控制旋钮

这种二维多铁材料提供了若干独立的调节手段来控制斯格明子。反转电极化会翻转斯格明子的手性并微妙改变其轨迹，从而实现电学的“实时”引导与二进制编码。此外，作者还研究了对该片层进行均匀拉伸或压缩如何改变磁性相互作用。在一定的应变窗口内，混合扭曲保持强烈且斯格明子霍尔角接近于零，但内部螺旋度会发生变化。在更强的压缩应变下，系统经历一种拓扑变换：斯格明子转变为称为双旋子（bimeron）的延长结构，实质上是平面内成对的涡旋。这些发现表明，应变可作为一种机械刻度，用于在不改变材料成分的情况下重构拓扑纹理的类型和行为。

这些微小旋涡为何重要

简单来说，这项工作鉴定出了一种单层晶体，其中微小的磁性旋涡不仅稳健且可实现高密度排布，而且能沿轨道被直线推动，并可通过电场与温和拉伸进行操控。将磁有序、可切换的电极化和柔性力学性结合于一体，TcIrGe2Se6 成为未来基于自旋的电子学的有前景试验场。基于这类可控混合斯格明子的器件，能够以远低于当今基于电荷的技术的能耗来存储和处理信息，同时利用这些纳米级旋涡丰富的内部结构，开发新型逻辑与存储方案。

引用: Li, X., Zhou, M., Wei, Y. et al. Hybrid magnetic skyrmions with near-zero Hall angle and electrical switchability in a 2D multiferroic. npj Comput Mater 12, 148 (2026). https://doi.org/10.1038/s41524-026-02030-z

关键词: 磁性斯格明子, 二维材料, 多铁材料, 自旋电子学, 拓扑磁学