近日，中科院合肥研究院强磁场中心田明亮研究员、周建辉研究员、朱相德研究员与澳大利亚皇家墨尔本理工大学王澜教授课题组合作，在层状手性磁材料拓扑霍尔效应量子调控方面取得重要突破。合作团队研究发现，在过渡金属硫化物TaS₂中插层磁性原子Fe可实现Dzyaloshinskii–Moriya (DM)相互作用。通过一种新型的质子门电压技术，团队成功在该体系中插层质子，并进一步实现了DM相互作用以及拓扑霍尔效应的电调控。相关研究成果近期发表于《自然·通讯》（Nature Communications）上，论文题为“Tailoring Dzyaloshinskii–Moriya interaction in a transition metal dichalcogenide by dual-intercalation”。

　　可调节的DM相互作用有助于实现和操控拓扑磁结构，如手性磁孤子和磁斯格明子，这也是未来低功耗电子器件的一个重要研究方向。目前人们在很多具有强自旋轨道耦合作用以及空间反演对称破缺的磁性材料中实现了各种拓扑磁结构，而层状材料中实现DM相互作用并不多见。该国际合作团队以过渡金属TaS₂为例，通过Fe插层实现了破环空间反演对称性的手性铁磁Fe_xTaS₂ ( 0.28≤x≤0.33)。通过理论分析计算，该团队证实了体系中存在着较大的DM相互作用，并进一步在实验上观测到了由DM相互作用导致的拓扑霍尔效应。然而电调控这些材料中的DM相互作用以及拓扑磁结构面临着巨大的挑战。这是因为很多手性磁结构体系具有非常大的载流子浓度，传统的电场调控以及广泛运用的锂离子液技术只能实现材料近表面非常有限的载流子调控。

　　王澜课题组近年来发展了一种新型的全固态质子门电压技术，通用电场诱导的质子插层可以实现超高载流子浓度的调控。该合作团队利用这种门电压技术成功将质子插层到Fe_0.28TaS₂纳米片中，并实现了高达10²²cm^-3量级的载流子浓度的调控。理论分析发现，改变系统的载流子可以进一步通过Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida机制来实现对DM相互作用的调控。实验发现拓扑霍尔效应在较小的门电压下(-5V)增大了四倍，揭示了对DM相互作用的极大调控。该工作引起了国外多家媒体，如Science Daily, Phys. org, EurekAlert等的广泛报道。

　　澳大利亚皇家墨尔本理工大学郑国林博士为本论文第一作者、北京大学王茂原博士以及强磁场科学中心朱相德研究员为论文的共同第一作者、田明亮研究员和周建辉研究员为论文的共同通讯作者。该工作得到了澳大利亚研究委员会基金、国家自然科学基金、中科院青年创新促进会的支持。

　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23658-z 

　　(a) 微纳器件的原理结构示意图；(b) 不同门电压下的霍尔电阻率与外加磁场的洄滞曲线； (c)不同门电压下的反常霍尔电阻率（左纵轴）和拓扑霍尔电阻率（右纵轴）