近日，新葡的京集团35222vip董帅教授课题组在低维转角材料的莫尔磁性及铁电性物理研究领域取得进展，相关研究成果以“Magnetic and ferroelectric phase diagram of twisted CrI3 layers”为题发表于Physical Review Letters。
转角堆叠的二维层状材料为低维体系中的奇异物理现象提供了丰富的研究素材。过往对转角电子学的关注主要集中在其奇特的电子结构方面，并已取得诸多重要发现，但对于其实空间铁性莫尔纹理结构的关注相对不足。过往的研究主要依赖于简单直观的刚性晶格模型，而其结构弛豫效应则一般被忽视。因此实验和理论存在诸多不吻合的现象。
针对这一问题，董帅教授课题组通过第一性原理计算结合数值模拟，系统地研究了转角大小及结构弛豫对典型的二维铁磁体CrI3磁性和铁电性的关键作用，为二维材料中非平庸铁性序的调控提供了新思路。
图1. (a) 刚性模型和 (b) 结构弛豫后的1+1层堆叠CrI3转角体系铁性条纹对比。上图：0.99度转角，反铁磁磁泡弛豫后消失。下图：59.01度转角下铁电涡旋仍然保持，但边界变得非常清晰。(b) 转角CrI3的磁、电相图。不同转角和堆叠厚度下的磁泡密度(上图)和极化率(下图)。
研究发现，结构弛豫会显著改变转角CrI3的局域堆叠模式，堆叠模式依赖的局域层间磁耦合和局域电偶极矩也被显著改变(图1a)。层间磁耦合分布重整导致磁泡在转角双层CrI3中消失，而转角引起的铁电涡旋纹理因拓扑保护作用得以保留。
通过改变转角大小和层厚并总结相图(图1b)，团队成功预测了磁泡在不同堆叠厚度下稳定存在的阈值角度，并揭示了铁电涡旋的鲁棒性。这些发现解决了前期实验与理论预测的矛盾，为二维材料中非平庸磁、电纹理的精准调控提供了理论依据，为未来设计新型多功能量子器件开辟了新途径。
论文第一作者为新葡的京集团35222vip博士生叶浩燊，董帅教授为通讯作者，新葡的京集团35222vip为唯一完成单位。该工作得到国家自然科学基金、新葡的京集团35222vip量子材料与信息器件教育部重点实验室以及新葡的京集团35222vip大数据计算中心的计算资源支持。
原文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/bwwv-f247