研究背景

在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，自旋極化對(duì)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(chǎng)、超快磁動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，有望取代鐵磁材料，實(shí)現(xiàn)高密度、低功耗、高穩(wěn)定性、超快讀寫(xiě)的下一代自旋電子學(xué)。盡管如此，由于反鐵磁材料只有自旋簡(jiǎn)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(shí)間反演對(duì)稱(chēng)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(bǔ)償?shù)姆雌叫?/span>magnetic crystal order，使凈磁化強(qiáng)度為零。除了交互磁性，研究其它類(lèi)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(jiǎn)介

來(lái)自西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院的郭三棟副教授提出了電勢(shì)差反鐵磁的概念（圖1）。在具有面外中心對(duì)稱(chēng)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(jiǎn)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(duì)稱(chēng)的破缺而產(chǎn)生的內(nèi)建面外電場(chǎng)Eb，破壞了能帶結(jié)構(gòu)中的自旋簡(jiǎn)并[圖1(c)和1(d)]。這種自旋簡(jiǎn)并破缺是由于內(nèi)建電場(chǎng)產(chǎn)生的層依賴(lài)靜電勢(shì)，導(dǎo)致不同層的電子能帶錯(cuò)開(kāi)，從而產(chǎn)生自旋劈裂。我們將這種系統(tǒng)稱(chēng)為電勢(shì)差反鐵磁。 通過(guò)第一性原理計(jì)算了Janus 單層 Mn₂ClF的能帶結(jié)構(gòu)（圖2），驗(yàn)證了我們的提議。

對(duì)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(chǎng)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(duì)于A型反鐵磁有序的二維Janus交互磁性，面外內(nèi)建電場(chǎng)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(chēng)為電勢(shì)差交互磁性。這種既具有交互磁性又具有電勢(shì)差反鐵磁性的實(shí)際材料有待進(jìn)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(gè)簡(jiǎn)單方便直覺(jué)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?chē)h(huán)境不同就可以導(dǎo)致自旋劈裂。文中舉了四個(gè)例子說(shuō)明此提議（圖5，圖6，圖7，圖8）：交互磁性，電勢(shì)差反鐵磁，4d電子能量高于3d電子能量導(dǎo)致自旋劈裂和Jahn-Teller扭曲程度不一樣導(dǎo)致自旋劈裂。

圖文導(dǎo)讀

圖1：電勢(shì)差反鐵磁示意圖

圖2：?jiǎn)螌?/span> Mn₂ClF的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)

圖3：電勢(shì)差交互磁示意圖

圖6：電勢(shì)差反鐵磁：自旋向上和向下磁性原子的電勢(shì)差不同導(dǎo)致自旋劈裂

圖7：4d電子能量高于3d電子能量導(dǎo)致自旋劈裂

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