北理工團隊提出突破性全電控自旋新機制

發(fā)布日期：2024-08-08 供稿：物理學(xué)院攝影：物理學(xué)院

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近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授、余智明教授團隊提出了一種顛覆性的新效應(yīng):自旋-層耦合(SLC)，以實現(xiàn)自旋(而非自旋流)的柵極電場控制。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)頂級期刊《Physical Review Letters》。

自巨磁阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，自旋電子學(xué)領(lǐng)域迅猛發(fā)展，對自旋的調(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柵極電場調(diào)控自旋。盡管眾多方案競相涌現(xiàn)，以期實現(xiàn)電場調(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)測與控制，給實際應(yīng)用帶來不確定性的挑戰(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，團隊提出了一種顛覆性的效應(yīng)，通過電學(xué)手段實現(xiàn)自旋極化的可預(yù)測控制，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制——以谷為媒介的自旋-層耦合 (SLC)——這一機制存在于一種新發(fā)現(xiàn)的磁性材料，即交錯磁體 (altermagnets)（圖1）。SLC指的是自旋與層自由度之間的耦合，通過它可使電場能夠像磁場一樣精準(zhǔn)可控的操控自旋。值得注意的是，SLC在有無SOC的情況下都能有效運行，從而一舉克服上述兩大缺陷。

圖1. 谷媒介SLC的機理及全電控自旋示意圖。(a)具有兩個能谷V1和V2的交錯磁體材料天然被賦予自旋-谷鎖定特性，其受到某一(磁性)晶體對稱性（或晶體對稱性與時間反演聯(lián)合操作）而不是時間反演對稱性的保護(hù)。(b)二維谷電子材料可能具有某一(磁性)晶體對稱性（或晶體對稱性與時間反演聯(lián)合操作）保護(hù)的谷-層鎖定，其中兩個谷態(tài)具有相反的層極化。(c)二維交錯磁體中谷媒介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。

團隊還通過系統(tǒng)性的對稱性分析，提出了實現(xiàn)谷媒介SLC的對稱性條件，并列出了所有具有谷媒介SLC的23個磁層群。此外團隊還確定了9種高質(zhì)量的材料候選者：單層Ca(CoN)₂家族（圖2）。基于這些具體材料，該工作展示了通過施加?xùn)艠O場可以實現(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/?的柵極場可以產(chǎn)生約100 meV的自旋劈裂，相當(dāng)于一個高達(dá)1000 T的有效靜態(tài)磁場（圖3）。

圖2. 九種高質(zhì)量的候選材料：單層Ca(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，團隊提出的谷媒介SLC方案還可以徹底改變類隧道磁阻 (TMR) 器件的設(shè)計方式。所提出的類TMR器件不僅表現(xiàn)出顯著增強的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對材料不同區(qū)域施加平行和反平行的柵極電場來實現(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)用價值。該研究為通過純電手段的可預(yù)測的自旋調(diào)控提供了嶄新機遇，并為設(shè)計可以全電控制的自旋電子器件開辟了全新的方向，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澤、段璟奕，博士后黎磊。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和北京理工大學(xué)青年人才啟動項目等的大力支持。

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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