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Topological spin textures in 2D altermagnetic chromium chalcogenides: Interplay between magnetic frustration and Dzyaloshinskii-Moriya interaction

本研究利用第一性原理计算和原子模拟证明，在二维交错磁性铬硫族化物中，内在交换挫折与对称性破缺的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用之间的相互作用，通过不同的协同与竞争机制，驱动了多样化非共线拓扑自旋织构的形成。

原作者： Zirui Zhang, Shiwei Zhu, Ruixiao Ma, Qiuyao Zhang, Xiaoping Wu, Changsheng Song

发布于 2026-09-16

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原作者： Zirui Zhang, Shiwei Zhu, Ruixiao Ma, Qiuyao Zhang, Xiaoping Wu, Changsheng Song

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在固体材料的微观世界中，磁性通常被认为是在两种相反力量之间进行的简单拔河。在标准磁体中，微小的原子自旋全部指向同一个方向，从而产生强大的拉力。在反铁磁体中，它们指向相反的方向，相互抵消，使得材料对外界表现出零磁性。几十年来，科学家们一直认为，如果你想创造复杂的、旋转的磁性图案——即那些可以存储信息或传输数据而无需电力的结构——你需要一种具有强磁性或者具有非常特定的、不对称内部结构的材料。然而，一种被称为“交错磁体”（altermagnets）的新型材料类别最近挑战了这一观点。这些材料具有反铁磁体的零净磁性，但拥有隐藏的、与动量相关的自旋分裂，这使得它们能以令人惊讶的方式表现得像磁体一样。现在的疑问是，这些独特的材料是否也能承载被称为“拓扑自旋纹理”的复杂且旋转的磁性结，这种结构因其稳定性以及在超高密度、低功耗计算机存储中的潜力而备受青睐。

浙江科技大学的一个研究小组通过研究由铬和各种硫族元素（如氧、硫、硒和碲）组成的二维晶体家族，深入探讨了这个问题。利用能够模拟单个原子行为的高性能计算机模拟，他们探索了这些材料在仅有一个原子层厚度时的行为。他们重点研究了两种排列方式：一种是顶层和底层完全相同的对称版本，另一种是顶层和底层由不同元素组成的非对称“雅努斯”（Janus）版本。研究人员发现，对称版本虽然很有趣，但由于其内部对称性阻止了关键扭转力的形成，因此无法独立支持这些旋转的磁性结。然而，非对称的雅努斯版本则讲述了另一个故事。通过打破顶层和底层之间的对称性，研究人员释放了一种强大的相互作用，这种相互作用结合材料天然的内部冲突，为这些奇异的磁性状态创造了一个实验场。

这一发现的关键在于晶体内部两种竞争因素之间的相互作用。首先是“磁挫折”（magnetic frustration）。想象一群朋友试图围成一圈坐下，每个人都想坐在自己讨厌的人旁边，但圆圈太小，无法让每个人都如愿以偿。在这些铬晶体中，原子希望与其邻居的自旋方向相反，但晶格的几何结构使得无法让所有人同时得到满足。这创造了一种持续的张力或“挫折”状态。其次，在非对称的雅努斯晶体中，研究人员发现底层的重原子会产生一种被称为“德亚洛申斯基-莫里亚相互作用”（Dzyaloshinskii-Moriya interaction）的扭转力，这种力量试图将自旋扭转成螺旋状。在对称晶体中，这种扭转力因材料的镜像对称性而被禁止，但在雅努斯晶体中，对称性的破缺允许它出现。

当研究人员模拟雅努斯晶体的行为时，他们发现挫折产生的张力和相互作用产生的扭转力共同作用，稳定了许多在其他情况下不可能存在的磁性形状。根据所使用的元素组合的不同，材料会呈现出不同的图案。有些配置形成了磁性结簇，而有些则延伸成链状或孤立的单结。研究人员发现，形成的图案类型取决于一种微妙的平衡。在内部张力最强的材料中，磁自旋形成了具有许多扭转的复杂、高复杂度结；而在扭转力更强的材料中，自旋则趋于形成简单的单结。

这项发现之所以特别重要，是因为研究人员确定了这些力量相互作用的两种不同方式。在一种情景下，内部张力实际上辅助了扭转力，使磁性结更容易形成，从而有效地降低了创建它们的阈值。在另一种情景下，两种力量直接竞争：张力推动系统向复杂的、多重扭转的结发展，而扭转力则将其推向简单的、单次扭转的结。这种竞争使得科学家可以通过改变化学成分来调节材料的行为。例如，通过用较轻的元素替换较重的元素，他们可以实现从高复杂度状态向简单、稳健结状态的转变。模拟还显示，这些磁性结非常稳定，其能量势垒可以防止它们轻易解体，这意味着它们可以在现实世界条件下生存。

这项研究证实，这些二维铬晶体是一个探索磁性力量如何竞争与协作的通用平台。研究人员表明，通过打破晶体层的对称性，他们可以激活必要的扭转力，从而在不需要外部磁场维持的情况下创造出这些拓扑纹理。这是一个至关重要的进步，因为目前大多数磁存储设备都需要外部磁场来写入数据，这会消耗能量并限制设备的微型化。通过证明这些复杂的磁性结构可以在无磁场环境下自然存在，这项工作为设计更密集、更节能的新型磁存储器打开了大门。研究结果提供了一条清晰的未来实验路线图，表明通过仔细选择雅努斯晶体的化学组成，工程师可以设计出具有特定磁性纹理的材料，以用于下一代自旋电子器件。

技术摘要：二维交错磁性铬硫族化物中的拓扑自旋纹理

问题陈述
尽管交错磁性（altermagnetism, AM）最近已被确立为一种独特的磁性范式，其特征是零净磁化强度和动量依赖的自旋分裂，但对二维（2D）交错磁性背景下拓扑自旋纹理（如斯格明子/skyrmions 和双子/bimerons）的探索仍然有限。在传统的磁性系统中，拓扑纹理的形成通常受磁挫折与 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）之间相互作用的支配。然而，以往的研究很大程度上将这些机制分开处理，且对于新兴交错磁相中支配拓扑态的具体相互作用机制仍知之甚少。具体而言，对称的二维铬硫族化物（ $Cr_2X_2$ ）具有内在的交换挫折，但缺乏支持净面内 DMI 所需的对称性破缺，从而限制了手性纹理的稳定。本文解决的核心问题是：在非对称的 Janus 配置（ $Cr_2XY$ ）中，交换挫折与可调的面内 DMI 之间的相互作用如何以及如何稳定拓扑自旋纹理。

研究方法
本研究采用了结合第一性原理计算与原子自旋模型模拟的方法：

第一性原理计算： 使用 VASP 软件包进行密度泛函理论（DFT）计算，采用 PBE 泛函和 GGA+U（Cr 3d 电子的 $U=3.5$ eV）。通过结构优化、电子能带结构分析和声子谱计算（通过 PHONOPY）来评估晶格稳定性和动力学性质。
自旋哈密顿量参数化： 从 DFT 得到的共线与非共线自旋构型的总能量差中，提取了包括海森堡交换常数（ $J_1, J_2, J'_2, J_3$ ）、DMI 矢量（ $D_{\parallel}, D_{\perp}$ ）和单离子各向异性（ $K$ ）在内的磁相互作用参数。
原子自旋模拟： 在零外部磁场下，利用 SPIRIT 代码通过求解 Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) 方程获得平衡自旋构型。
相空间分析： 对挫折参数（ $\eta_1, \eta_2$ ）相对于面内 DMI（ $D_{\parallel}$ ）进行了系统扫描，以绘制相图。利用 Geodesic Nudged Elastic Band (GNEB) 方法计算了拓扑纹理塌缩回均匀交错磁基态的最小能量路径和能量势垒。

主要贡献与结果
作者研究了单层 $Cr_2X_2$ （对称）和 Janus $Cr_2XY$ （非对称）交错磁体（ $X, Y = O, S, Se, Te$ ）。

结构与磁学性质：
- 对称的 $Cr_2X_2$ 单层保留了面外镜像对称性（ $M_z$ ），禁止了净面内 DMI（ $D_{\parallel} = 0$ ）。
- Janus $Cr_2XY$ 单层打破了 $M_z$ ，通过重硫族配体强烈的自旋-轨道耦合（SOC）激活了显著的面内 DMI（Fert-Levy 机制）。
- 两类系统都表现出强烈的内在交换挫折，这种挫折源于近邻（ $J_1$ ）与远邻（ $J_2, J_3$ ）反铁磁（AFM）相互作用之间的竞争，由受挫的正方形晶格 $J_1-J_2-J_3$ 模型描述。
- 奈尔温度（ $T_N$ ）范围为 70 K 至 161 K，大多数材料的动力学稳定性得到证实（除 Janus $Cr_2TeO$ 外，后者因极端的结构畸变显示出软声子模式）。
拓扑自旋纹理：
- 在对称的 $Cr_2X_2$ 中，仅靠交换挫折不足以稳定非共线态；系统保持在共线 AFM 态。
- 在 Janus $Cr_2XY$ 中，挫折与 $D_{\parallel}$ 的相互作用稳定了多种非共线手性结构，包括双子簇（bimeron clusters）、双子链（bimeron chains）、孤立斯格明子（ $Q=1$ ）以及迷宫状条纹畴（labyrinthine stripe domains）。
- 具体纹理取决于挫折、 $D_{\parallel}$ 与磁各向异性（ $K$ ）之间的平衡。例如，在强挫折和弱 $D_{\parallel}$ 的系统中会稳定高拓扑电荷（high- $Q$ ）的双子簇；而在强 $D_{\parallel}$ 和面外各向异性的系统中则会出现孤立的 $Q=1$ 斯格明子。
相互作用机制：
研究确定了两种不同的机制来支配挫折与 DMI 之间的相互作用：
- 协同效应（Synergistic Effect）： 交换挫折“软化”了共线交错磁序，从而降低了启动拓扑自旋构型所需的临界 $D_{\parallel}$ 阈值。
- 竞争效应（Competitive Effect）： 挫折与 $D_{\parallel}$ 倾向于产生不同的拓扑电荷。挫折促进高拓扑电荷（high- $Q$ ）态（如双子簇、 $Q=3$ 斯格明子），而 $D_{\parallel}$ 则倾向于低电荷态（如孤立的 $Q=1$ 斯格明子）。
- 能量势垒： GNEB 计算表明，高- $Q$ 双子的稳定性主要受交换挫折控制，而 $Q=1$ 斯格明子的稳定性则由 DMI 能量贡献主导。

意义
本文建立了一个理解二维交错磁体中磁挫折与 DMI 相互作用的通用框架。通过证明 Janus 配置 $Cr_2XY$ 提供了一个强交换挫折与可调面内 DMI 共存的平台，这项工作确定了这些材料是实现无场驱动拓扑自旋纹理的多功能候选材料。研究结果表明，可以通过调节挫折与 DMI 的平衡来控制拓扑电荷和形态，为设计基于交错磁性材料的新一代自旋电子器件提供了途径。研究澄清了在交错磁体中，挫折源于同号 AFM 竞争而非传统的铁磁-反铁磁竞争，并且 Janus 结构的对称性破缺是激活手性纹理所需 DMI 的关键。

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