近日，人工微结构和介观物理国家重点实验室叶堉课题组与合作者结合磁光测量实验和理论模型计算，在奇数层MnBi2Te4中发现了仅需通过设计磁场扫描路径即可控制其大小和方向的交换偏置现象，并提出缺陷辅助磁畴翻转模型。以上研究不仅阐明MnBi2Te4中交换偏置现象的演化规律及其物理起源，同时为基于调控磁畴结构的性质来实现高度可调的交换偏置效应提供了实验和理论基础。该研究成果以“缺陷辅助磁畴成核诱导MnBi2Te4中新奇的交换偏置现象”（Defect-Assisted Domain Nucleation Drives Unique Exchange Bias Phenomena in MnBi2Te4）为题于2024年10月24日发表在《物理评论X》（Physical Review X）。
交换偏置（EB）现象自1956年发现以来，因其在超高密度磁存储及各类新奇自旋电子器件中的应用前景受到了广泛关注。然而，由于常见EB系统中铁磁（FM）和反铁磁（AFM）相界面上共存的多种磁交换相互作用和难以避免的缺陷结构，使其物理规律和调控机制仍然不够清晰。值得注意的是，界面处的无序性和/或缺陷有利于磁畴结构的形成，从而影响FM和AFM相之间的自旋排列和交换相互作用，而磁畴结构及其相关的磁畴壁界面对整个FM相的自旋翻转起到至关重要的影响。因此，探索磁性材料中微妙复杂的缺陷结构至关重要，而缺陷、磁畴/磁畴壁结构和自旋翻转之间的相互耦合也为理解和获得有趣的EB现象提供了重要的途径。然而，磁畴结构的复杂性使得基于其实现稳定可控的EB效应具有巨大挑战。
本征范德华反铁磁拓扑绝缘体MnBi2Te4为此类研究提供了一个极有潜力的平台。MnBi2Te4中广泛存在多种类型的缺陷，其中Mn和Bi替位缺陷和Mn空位等将对材料的局部自旋相互作用和拓扑状态产生显著的影响。此前，叶堉与合作者通过反射磁圆二向色性谱（RMCD）揭示了从单层到少层的A型反铁磁MnBi2Te4在层数、温度、外磁场等参数空间下的自旋翻转磁行为[Phys. Rev, X，11，011003 (2021)]，但针对其奇数层（1，3，5层）样品中未补偿的净磁矩的自旋翻转机制仍然有待探索。在最新的研究中，叶堉课题组与合作者首先揭示了在奇数层MnBi2Te4中未补偿净磁矩翻转来源于磁畴成核（磁畴成核场大于磁畴壁推动场HN>HP）所主导的自旋演化运动（图1），而与缺陷结构相关的磁畴结构为EB现象的出现提供了可能。
图1. a-b一维线性链模型预测的3层MnBi2Te4未补偿净磁矩的翻转（a）和实验测量的RMCD磁滞曲线（b）；c磁畴成核主导的自旋翻转。
通过等温下设计磁场扫描方式，可以基于奇数层MnBi2Te4中未补偿净磁矩部分实现稳定可控的EB现象，其偏置场来源于单边不变的矫顽场（以HC-为例）和随设定场（HS）不断演化的矫顽场（以HC+为例）的共同作用，且其大小和方向不需要升温和场冷过程即可实现稳定的控制（图2）。结合实验和理论模拟结果，研究者认为普遍存在的缺陷诱导的局域磁畴结构以及内部交换相互作用的变化（将具有从FM到AFM的等效耦合），导致了这种特殊交换偏置的出现。如图3所示，正磁场初始化EB方向后，随着负扫描场HS增大，由于始终未解钉扎的AFM domain1结构的存在，使得HC-具有极其稳定的翻转值；而由于各个缺陷结构随HS增大逐渐解钉扎的过程，将导致HC+由不同的成核位点所决定，从而导致变化的HC+及EB现象。最后，研究者也系统给出了EB现象的温度和厚度依赖相图，以为进一步利用其独特的性质打下实验基础。
图2. a仅需通过初始化磁场扫描（决定EB方向）和对向磁场扫描范围（HS）的设计，即可实现可控大小和方向的EB；b-c两种完全对称的磁场扫描方案下，实验中提取的HS依赖的磁翻转场和EB场演化。d初始化EB后，HS的反向场扫描范围将不对EB产生影响。
图3. a MnBi2Te4原子结构图及STEM对晶体结构和元素的表征；b第一性原理计算的面内最近邻和次近邻磁耦合作用强度。c局域的高缺陷浓度区域中存在的缺陷磁畴结构，将其简化为等效的FM或AFM耦合的双自旋模型。d多种缺陷结构下，理论模型对初始化磁场后各个磁翻转场行为随HS演化的描述。
北京大学物理学院博雅博士后杨诗祺、北京理工大学准聘教授徐晓龙和北京大学物理学院博士生高宇辰为论文的共同第一作者，本实验室叶堉副教授、中国人民大学夏天龙教授、中国科学院大学周武和北京理工大学黄元教授为论文的共同通讯作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后基金以及北京大学长三角光电科学研究院等支持。
论文原文链接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041024
信息来源：北京大学物理学院网站
