二维含过渡金属与硫族元素的铁磁体中的复杂磁交换、各向异性与斯格明子纹理

为什么微小的磁涡旋很重要

现代电子学操控电荷；下一代技术则旨在同时控制电子自旋。本文探讨了一类可能承载微小漩涡状磁性结构——斯格明子的超薄晶体。这些奇异结构可能比现有存储芯片更高效地保存信息。通过理解仅一层原子厚的薄片中磁性的工作原理，作者为更小、更快、且更节能的自旋器件指明了道路。

将磁体剥离到单层

研究聚焦于化学式为 FeXZ2 的金属晶体，其中铁 (Fe) 与铌或钽 (X = Nb, Ta) 以及硫族元素（Z = S, Se, Te）结合。该系列的一个成员 FeNbTe2 最近已被合成并显示出铁磁性，即其原子磁矩趋于同向排列。作者使用先进的量子计算来探问：若把这些材料剥到单原子层，薄片能否保持稳定并保持磁性？模拟表明，所研究化合物的单层不仅在能量上是有利的，而且在动力学、热学和力学上都很稳定。层内键合强，振动不会破坏结构，且在模拟加热下薄片能在高于室温的条件下幸存。

原子如何排列与相互作用

在这些单层中，铁原子成对嵌入由其他元素构成的框架中。研究者分析了电子在原子间的共享与转移，发现铁对间存在金属性键，而铌或钽与硫族元素之间具有更强的共价性。他们量化了原子的键结强度，并将能量与已知的二维磁体进行比较，得出结论认为 FeXZ2 家族应当可在实验中获得。对数百种可能的二维结构进行广泛搜索后发现，一种稍微倾斜的单斜晶格构型最为有利——这与块体 FeNbTe2 中观测到的结构非常接近，表明剥离到单层应能保留相同的基本架构。

磁性的异常取向

在确定了原子骨架后，作者研究了磁性基态。在所有化合物中，最低能量态均为铁磁态：铁自旋倾向于对齐。但情形比简单对齐要复杂得多。相邻自旋之间的相互作用强度在极短距离上主要由直接的铁—铁耦合主导，而更远的邻近原子则通过硫族原子间接交流。出人意料的是，这些较弱的二阶邻居耦合在很大程度上决定了磁性消失的临界温度。经典模拟表明，这些单层磁体在室温以下失去有序，临界温度为几十到数百开尔文——与其他著名的二维磁体相当。对器件而言至关重要的是，这些材料表现出强烈的磁各向异性：它们强烈偏好自旋指向某些特定方向。更为显著的是，在许多情况下，“易轴”并非通常的垂直或面内方向，而是倾斜的，这种倾斜轴线可能允许在无需外加磁场的情况下切换磁比特。

扭转的磁体与微小涡旋

随后工作聚焦于特殊的“Janus”单层，即上下两侧的硫族元素不同（例如一侧为硒，另一侧为铊或碲）。这种上下不对称破坏了空间反演对称性，激活了一种倾向于在相邻自旋间产生扭转的微妙相互作用。当这种促扭转相互作用与趋于对齐的交换作用以及固有的各向异性共同存在时，便能稳定斯格明子——一种尺度极小的涡旋结构，其中自旋从中心向下包裹到边缘向上。通过将微观计算转换为有效的连续介质参数并输入微磁学模拟，作者发现特别是 Janus FeNbSeTe 可以在无需外加磁场的情况下承载稳定的 Néel 型斯格明子。这些漩涡直径仅约 8–9 纳米，在模拟中可存活至大约 45 开尔文。

从理论到未来的自旋器件

对非专家而言，主要结论是这类基于铁的二维材料同时满足多个关键条件：其单层结构稳固、呈铁磁性、具有异常强且倾斜的磁矩优选方向，且某些不对称变体天然支持微小且稳健的磁涡旋而无需外加磁场。尽管其工作温度仍低于室温，结果表明存在明确途径——例如化学调控或施加应变——可以提高性能。从长远看，这类材料可用于构建通过滑动斯格明子而非传输电荷来写入和移动信息的存储与逻辑器件，从而有望降低能耗并实现更高密度的数据存储。

引用: Ershadrad, S., Machacova, N., Mukherjee, A. et al. Complex magnetic exchange, anisotropy and skyrmionic textures in 2D ferromagnets with transition metals and chalcogens. npj 2D Mater Appl 10, 46 (2026). https://doi.org/10.1038/s41699-026-00691-4

关键词: 2D 磁体, 斯格明子, 自旋电子学, Janus 材料, 磁各向异性