研究背景

在自旋電子學領(lǐng)域，自旋極化對構(gòu)建自旋電子器件至關(guān)重要。與鐵磁材料相比，反鐵磁材料具有零凈磁矩、零雜散磁場、超快磁動力學響應(yīng)等優(yōu)點，有望取代鐵磁材料，實現(xiàn)高密度、低功耗、高穩(wěn)定性、超快讀寫的下一代自旋電子學。盡管如此，由于反鐵磁材料只有自旋簡并的能帶，通常只能支持自旋中性的電流。最近，新的磁有序交互磁性（altermagnetism）被提出，它既具有鐵磁性的時間反演對稱性破缺，能帶上呈現(xiàn)自旋劈裂（不需要考慮自旋軌道耦合效應(yīng)）；又兼具反鐵磁性的opposite-spin sublattice，為補償?shù)姆雌叫?/span>magnetic crystal order，使凈磁化強度為零。除了交互磁性，研究其它類型反鐵磁中的自發(fā)自旋劈裂是非常重要和有意義的。這些材料為構(gòu)建新型反鐵磁自旋電子器件提供了基礎(chǔ)。

成果簡介

來自西安郵電大學電子工程學院的郭三棟副教授提出了電勢差反鐵磁的概念（圖1）。在具有面外中心對稱的典型二維材料中，磁性原子如果具有相反的層自旋極化，即A型反鐵磁序，能帶結(jié)構(gòu)是自旋簡并的[圖1(a)和1(b)]。在具有A型反鐵磁序的二維Janus材料中，由于面外中心對稱的破缺而產(chǎn)生的內(nèi)建面外電場Eb，破壞了能帶結(jié)構(gòu)中的自旋簡并[圖1(c)和1(d)]。這種自旋簡并破缺是由于內(nèi)建電場產(chǎn)生的層依賴靜電勢，導致不同層的電子能帶錯開，從而產(chǎn)生自旋劈裂。我們將這種系統(tǒng)稱為電勢差反鐵磁。 通過第一性原理計算了Janus 單層 Mn₂ClF的能帶結(jié)構(gòu)（圖2），驗證了我們的提議。

對二維交互磁性，假設(shè)磁性原子具有相反的層自旋極化(A型反鐵磁序)。在缺少面外內(nèi)建電場的情況下，能帶結(jié)構(gòu)中仍然可以觀察到明顯的自旋劈裂[圖3(a)和3(b)]，但是自旋谷極化是缺乏的。對于A型反鐵磁有序的二維Janus交互磁性，面外內(nèi)建電場Eb可以誘發(fā)自旋谷極化[圖3(c)和3(d)]。因此，本文提出的概念可以推廣到二維Janus A型交互磁材料，稱為電勢差交互磁性。這種既具有交互磁性又具有電勢差反鐵磁性的實際材料有待進一步搜尋。

相關(guān)成果以“Spontaneous spin splitting in electric potential difference antiferromagnetism”為題以Letter形式發(fā)表在期刊《Physical Review B》上（DOI: 10.1103/PhysRevB.108.L180403）。該論文第一作者和唯一通訊作者都為郭三棟副教授。

最近郭三棟副教授在前期研究基礎(chǔ)上提出了一個簡單方便直覺的方法尋找存在自發(fā)自旋劈裂反鐵磁的方法（arXiv:2308.14097），圖4。自旋向上和向下的磁性原子周圍環(huán)境不同就可以導致自旋劈裂。文中舉了四個例子說明此提議（圖5，圖6，圖7，圖8）：交互磁性，電勢差反鐵磁，4d電子能量高于3d電子能量導致自旋劈裂和Jahn-Teller扭曲程度不一樣導致自旋劈裂。

圖文導讀

圖1：電勢差反鐵磁示意圖

圖2：單層 Mn₂ClF的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)

圖3：電勢差交互磁示意圖

圖6：電勢差反鐵磁：自旋向上和向下磁性原子的電勢差不同導致自旋劈裂

圖7：4d電子能量高于3d電子能量導致自旋劈裂

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論文鏈接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.L180403