北理工團(tuán)隊(duì)提出突破性全電控自旋新機(jī)制
發(fā)布日期：2024-08-08 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日,，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授,、余智明教授團(tuán)隊(duì)提出了一種顛覆性的新效應(yīng):自旋-層耦合(SLC)，以實(shí)現(xiàn)自旋(而非自旋流)的柵極電場(chǎng)控制,。該工作以“Predictable Gate-Field Control of Spin in Altermagnets with Spin-Layer Coupling”為題發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》,。
自巨磁阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，自旋電子學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展,，對(duì)自旋的調(diào)控成為該領(lǐng)域重要研究方向,。這其中最好的方法是通過(guò)柵極電場(chǎng)調(diào)控自旋。盡管眾多方案競(jìng)相涌現(xiàn),，以期實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)調(diào)控自旋的最終目標(biāo),，但普遍存在兩大棘手難題：(一) 高度依賴強(qiáng)自旋軌道耦合(SOC)作為先決條件，限制了材料選擇的廣泛性,；(二) 誘導(dǎo)產(chǎn)生的自旋劈裂現(xiàn)象難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)與控制,，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不確定性的挑戰(zhàn)。這些不足之處嚴(yán)重阻礙了全電控自旋技術(shù)向更深層次發(fā)展的步伐,。
在本研究工作中,，團(tuán)隊(duì)提出了一種顛覆性的效應(yīng)，通過(guò)電學(xué)手段實(shí)現(xiàn)自旋極化的可預(yù)測(cè)控制,，從而解決這一挑戰(zhàn)性任務(wù),。他們的想法基于一種新穎的物理機(jī)制——以谷為媒介的自旋-層耦合 (SLC)——這一機(jī)制存在于一種新發(fā)現(xiàn)的磁性材料，即交錯(cuò)磁體 (altermagnets)（圖1）,。SLC指的是自旋與層自由度之間的耦合,，通過(guò)它可使電場(chǎng)能夠像磁場(chǎng)一樣精準(zhǔn)可控的操控自旋。值得注意的是,，SLC在有無(wú)SOC的情況下都能有效運(yùn)行,，從而一舉克服上述兩大缺陷。
圖1. 谷媒介SLC的機(jī)理及全電控自旋示意圖,。(a)具有兩個(gè)能谷V1和V2的交錯(cuò)磁體材料天然被賦予自旋-谷鎖定特性,，其受到某一(磁性)晶體對(duì)稱性（或晶體對(duì)稱性與時(shí)間反演聯(lián)合操作）而不是時(shí)間反演對(duì)稱性的保護(hù)。(b)二維谷電子材料可能具有某一(磁性)晶體對(duì)稱性（或晶體對(duì)稱性與時(shí)間反演聯(lián)合操作）保護(hù)的谷-層鎖定,，其中兩個(gè)谷態(tài)具有相反的層極化,。(c)二維交錯(cuò)磁體中谷媒介SLC可以形象的類比為自旋-谷和谷-層鎖定的結(jié)合。(d)谷媒介SLC使全電控自旋成為可能。
團(tuán)隊(duì)還通過(guò)系統(tǒng)性的對(duì)稱性分析,，提出了實(shí)現(xiàn)谷媒介SLC的對(duì)稱性條件,，并列出了所有具有谷媒介SLC的23個(gè)磁層群。此外團(tuán)隊(duì)還確定了9種高質(zhì)量的材料候選者：?jiǎn)螌覥a(CoN)2家族（圖2）,?；谶@些具體材料，該工作展示了通過(guò)施加?xùn)艠O場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)（近乎）均勻,、連續(xù)和可切換的自旋極化控制,。特別是，施加0.2 eV/?的柵極場(chǎng)可以產(chǎn)生約100 meV的自旋劈裂,，相當(dāng)于一個(gè)高達(dá)1000 T的有效靜態(tài)磁場(chǎng)（圖3）,。
圖2. 九種高質(zhì)量的候選材料：?jiǎn)螌覥a(CoN)2家族。(a) 從體相中剝離候選單層的示意圖,；(b) 單層A(BN)2的晶體結(jié)構(gòu)俯視圖,；(c) 單層Ca(CoN)2的空間自旋密度分布；(d) 單層Ca(CoN)2的聲子譜,。
圖3. 單層Ca(CoN)2的電子結(jié)構(gòu)分析：(a) 能帶結(jié)構(gòu),；(b) 軌道投影能帶結(jié)構(gòu),；(c) Ez=""0.2"" eV/?電場(chǎng)下單層Ca(CoN)2的能帶結(jié)構(gòu),；(d) VBM (ΔEv)和CBM (ΔEc)隨Ez的自旋(谷)劈裂。
此外,，團(tuán)隊(duì)提出的谷媒介SLC方案還可以徹底改變類隧道磁阻 (TMR) 器件的設(shè)計(jì)方式,。所提出的類TMR器件不僅表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的TMR效應(yīng)，而且由單一材料構(gòu)成—TMR器件中的平行和反平行配置可以通過(guò)對(duì)材料不同區(qū)域施加平行和反平行的柵極電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖4）,。
圖4. 基于谷媒介SLC效應(yīng)的新型隧道磁阻器件示意圖,。
探索全電控自旋新機(jī)制是凝聚態(tài)和材料物理領(lǐng)域重要的研究課題，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值,。該研究為通過(guò)純電手段的可預(yù)測(cè)的自旋調(diào)控提供了嶄新機(jī)遇,，并為設(shè)計(jì)可以全電控制的自旋電子器件開(kāi)辟了全新的方向，將成為自旋電子學(xué)和能谷電子學(xué)領(lǐng)域的里程碑式進(jìn)展,。
北京理工大學(xué)為該工作的唯一完成單位,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院的姚裕貴教授、余智明教授為論文的共同通訊作者,，張閏午特別研究員和崔朝喜博士研究生為論文的第一作者,。參與該研究工作的還有博士研究生李潤(rùn)澤、段璟奕,，博士后黎磊,。該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年人才啟動(dòng)項(xiàng)目等的大力支持。
文章信息如下：
Run-Wu Zhang, Chaoxi Cui, Runze Li, Jingyi Duan, Lei Li, Zhi-Ming Yu, and Yugui Yao; “Predictable Gate-Field Control of Spin in Altermagnets with Spin-Layer Coupling”, Physical Review Letters, 133, 056401 (2024).
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.056401
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