挠曲效应是指材料的应变梯度与物理响应之间的耦合，如应变梯度与电极化耦合的挠曲电效应；与磁性耦合的挠曲磁效应；与光伏效应耦合的挠曲光伏效应等等。这些效应在微纳尺度中会因尺寸效应变得非常显著，有望推动传感、致动与俘能等新型智能电子器件向小型化和低功耗等方向发展，受到物理、力学、材料以及器件工程等多学科交叉领域的广泛关注。然而，由于磁性（时间反演对称破缺）与应变梯度（空间反演对称破缺）在物理对称性上的巨大差异，传统铁磁材料与器件的内禀挠曲磁效应非常微弱，极大地限制了相关物理机理研究与器件的发展。
中山大学郑跃教授团队利用反对称的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）作用成功实现了时间反演和空间反演对称之间的强耦合，提出了磁性-应变梯度耦合的新微观物理机理。在此项工作中，郑跃教授团队以反铁磁多层薄膜体系中的内禀反对称DM作用为桥梁建立了磁性与梯度应变之间内在联系的挠曲磁作用。如图1(a)所示，研究发现应变梯度诱导DM作用矢量随弯曲 方向转动，并显著影响体系磁化强度。由此产生的挠曲磁效应具有显著的尺寸效应，并随着材料体系的尺寸降低而大幅提升磁弹调制效果。如图1(b)所示，他们预测了挠曲磁效应对反铁磁多层膜磁性斯格明子（Skyrmion）的形变及净磁化改变的规律。在此基础上，该文章发现材料体系的等效挠曲磁系数与材料的拓扑偶极矩成正比[图1(c)]。
图1：挠曲磁效应: （a）不同应变状态下的DM作用；（b）净磁化随应变梯度响应的理论计算结果；（c）等效挠曲磁系数的拓扑增强效应。
另外，该项研究还揭示了挠曲磁效应导致的奇异磁输运特性。如图2所示，研究人员在理论上证明了应变梯度下斯格明子反常的霍尔偏转来源于应变梯度作用诱导的几何马格努斯力，并类比电荷霍尔效应以及斯格明子霍尔效应，将这种反常的电流驱动磁结构偏转命名为挠曲霍尔效应（Flexo-Hall Effect）。
图2：挠曲霍尔效应:（a）反铁磁耦合的斯格明子示意图；（b）不同弯曲方向下斯格明子的运动方向理论计算结果；（c）电子霍尔效应、斯格明子霍尔效应与挠曲霍尔效应示意图，三种效应的偏转方向分别取决于电荷、拓扑荷和应变梯度方向。
该工作预测的挠曲磁效应强度比以往的理论预测高出4个量级，使得纳尺度下的磁弹效应中由挠曲磁效应贡献的部分比传统压磁、磁致伸缩效应的贡献高出1-2个量级，为挠曲磁效应在器件应用上提供了新思路。
研究成果于2022年6月21日以“Flexoresponses of Synthetic Antiferromagnetic Systems Hosting Skyrmions”为题在线发表在Physical Review Letters上。该工作由中山大学独立完成，物理学院为第一单位，合作单位包括广东省磁电物性分析与器件重点实验室、光电材料与技术国家重点实验室、材料学院，物理学院博士生刘林杰为第一作者，郑跃教授和陈伟津副教授为共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金、广东省自然科学基金等项目以及国家超级计算广州中心的大力支持。
论文信息：
Linjie Liu, Weijin Chen, and Yue Zheng, Phys. Rev. Lett. 128, 257201 (2022).
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.128.257201
