近日，beat365官方网站凝聚态物理與材料物理研究所、納光電子前沿科學中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室葉堉課題組與合作者結合磁光測量實驗和理論模型計算，在奇數層MnBi2Te4中發現了僅需通過設計磁場掃描路徑即可控制其大小和方向的交換偏置現象，并提出缺陷輔助磁疇翻轉模型。以上研究不僅闡明MnBi2Te4中交換偏置現象的演化規律及其物理起源，同時為基于調控磁疇結構的性質來實現高度可調的交換偏置效應提供了實驗和理論基礎。該研究成果以“缺陷輔助磁疇成核誘導MnBi2Te4中新奇的交換偏置現象”（Defect-Assisted Domain Nucleation Drives Unique Exchange Bias Phenomena in MnBi2Te4）為題于2024年10月24日發表在《物理評論X》（Physical Review X）。
交換偏置（EB）現象自1956年發現以來，因其在超高密度磁存儲及各類新奇自旋電子器件中的應用前景受到了廣泛關注。然而，由于常見EB系統中鐵磁（FM）和反鐵磁（AFM）相界面上共存的多種磁交換相互作用和難以避免的缺陷結構，使其物理規律和調控機制仍然不夠清晰。值得注意的是，界面處的無序性和/或缺陷有利于磁疇結構的形成，從而影響FM和AFM相之間的自旋排列和交換相互作用，而磁疇結構及其相關的磁疇壁界面對整個FM相的自旋翻轉起到至關重要的影響。因此，探索磁性材料中微妙複雜的缺陷結構至關重要，而缺陷、磁疇/磁疇壁結構和自旋翻轉之間的相互耦合也為理解和獲得有趣的EB現象提供了重要的途徑。然而，磁疇結構的複雜性使得基于其實現穩定可控的EB效應具有巨大挑戰。
本征範德華反鐵磁拓撲絕緣體MnBi2Te4為此類研究提供了一個極有潛力的平台。MnBi2Te4中廣泛存在多種類型的缺陷，其中Mn和Bi替位缺陷和Mn空位等将對材料的局部自旋相互作用和拓撲狀态産生顯著的影響。此前，葉堉與合作者通過反射磁圓二向色性譜（RMCD）揭示了從單層到少層的A型反鐵磁MnBi2Te4在層數、溫度、外磁場等參數空間下的自旋翻轉磁行為[Phys. Rev, X，11，011003 (2021)]，但針對其奇數層（1，3，5層）樣品中未補償的淨磁矩的自旋翻轉機制仍然有待探索。在最新的研究中，葉堉課題組與合作者首先揭示了在奇數層MnBi2Te4中未補償淨磁矩翻轉來源于磁疇成核（磁疇成核場大于磁疇壁推動場HN>HP）所主導的自旋演化運動（圖1），而與缺陷結構相關的磁疇結構為EB現象的出現提供了可能。
圖1. a-b一維線性鍊模型預測的3層MnBi2Te4未補償淨磁矩的翻轉（a）和實驗測量的RMCD磁滞曲線（b）；c磁疇成核主導的自旋翻轉。
通過等溫下設計磁場掃描方式，可以基于奇數層MnBi2Te4中未補償淨磁矩部分實現穩定可控的EB現象，其偏置場來源于單邊不變的矯頑場（以HC-為例）和随設定場（HS）不斷演化的矯頑場（以HC+為例）的共同作用，且其大小和方向不需要升溫和場冷過程即可實現穩定的控制（圖2）。結合實驗和理論模拟結果，研究者認為普遍存在的缺陷誘導的局域磁疇結構以及内部交換相互作用的變化（将具有從FM到AFM的等效耦合），導緻了這種特殊交換偏置的出現。如圖3所示，正磁場初始化EB方向後，随着負掃描場HS增大，由于始終未解釘紮的AFM domain1結構的存在，使得HC-具有極其穩定的翻轉值；而由于各個缺陷結構随HS增大逐漸解釘紮的過程，将導緻HC+由不同的成核位點所決定，從而導緻變化的HC+及EB現象。最後，研究者也系統給出了EB現象的溫度和厚度依賴相圖，以為進一步利用其獨特的性質打下實驗基礎。
圖2. a僅需通過初始化磁場掃描（決定EB方向）和對向磁場掃描範圍（HS）的設計，即可實現可控大小和方向的EB；b-c兩種完全對稱的磁場掃描方案下，實驗中提取的HS依賴的磁翻轉場和EB場演化。d初始化EB後，HS的反向場掃描範圍将不對EB産生影響。
圖3. a MnBi2Te4原子結構圖及STEM對晶體結構和元素的表征；b第一性原理計算的面内最近鄰和次近鄰磁耦合作用強度。c局域的高缺陷濃度區域中存在的缺陷磁疇結構，将其簡化為等效的FM或AFM耦合的雙自旋模型。d多種缺陷結構下，理論模型對初始化磁場後各個磁翻轉場行為随HS演化的描述。
beat365官方网站博雅博士後楊詩祺、北京理工大學準聘教授徐曉龍和beat365官方网站博士生高宇辰為論文的共同第一作者，葉堉副教授、中國人民大學夏天龍教授、中國科學院大學周武和北京理工大學黃元教授為論文的共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國博士後基金以及beat365長三角光電科學研究院等支持。
論文原文鍊接：
https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.14.041024
