北理工團(tuán)隊(duì)在自旋電子學(xué)領(lǐng)域取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-10-25 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)院姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)中的余智明教授等人和河北工業(yè)大學(xué)張小明教授課題組合作,，在交錯(cuò)磁拓?fù)浒虢饘傺芯恐校岢隽艘环N全新的,、方向依賴的準(zhǔn)一維自旋輸運(yùn),。該工作以“Quasi-One-Dimensional Spin Transport in Altermagnetic Z3 Nodal Net Metals”為題發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》，并被選為編輯推薦,。
自旋電子學(xué)領(lǐng)域的核心之一是揭示全新的,、與自旋相關(guān)的磁阻和輸運(yùn)現(xiàn)象,。同時(shí),，在輸運(yùn)研究中一直有一個(gè)傳統(tǒng)觀念：準(zhǔn)一維的輸運(yùn)是由實(shí)空間中的強(qiáng)各向異性引起，通常只會(huì)出現(xiàn)在具有準(zhǔn)一維鏈狀結(jié)構(gòu)的體系中,。但是,，直接決定體系輸運(yùn)物性的是體系在動(dòng)量空間中的能帶結(jié)構(gòu)，而不是其在實(shí)空間中的晶體結(jié)構(gòu),。該物理機(jī)制雖然直觀且早已為大家熟知,，但在低維輸運(yùn)研究中卻經(jīng)常被忽視。
在本研究中,，河北工業(yè)大學(xué)張小明教授課題組與北京理工大學(xué)余智明教授等人展開(kāi)合作,，超越傳統(tǒng)概念，通過(guò)結(jié)合交錯(cuò)磁性和Z3拓?fù)涔?jié)線,，提出了全新的,、不需要鏈狀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)一維自旋輸運(yùn)。交錯(cuò)磁和傳統(tǒng)反鐵磁一樣是磁性材料但沒(méi)有凈磁矩,，但交錯(cuò)磁在不考慮自旋軌道耦合的情況下具有很強(qiáng)的自旋分裂,。Z3拓?fù)涔?jié)線是一種穿過(guò)整個(gè)三維布里淵區(qū)的特殊節(jié)線，其拓?fù)涮卣骺梢杂萌齻€(gè)整數(shù)（n x ,，n y ,，n z ）來(lái)表示，其中每個(gè)整數(shù)表示節(jié)線在布里淵區(qū)中圍繞相應(yīng)方向纏繞的次數(shù),。由于特殊的能帶色散,，一個(gè)理想的Z3節(jié)線：也即在動(dòng)量空間沒(méi)有彎曲且在能量空間沒(méi)有起伏的節(jié)線能夠產(chǎn)生準(zhǔn)二維的輸運(yùn)，如圖1（a）所示。此外,，兩條理想的Z3節(jié)線可以構(gòu)成了一個(gè)交叉的Z3節(jié)線,，并將導(dǎo)致準(zhǔn)一維的輸運(yùn)，如圖1（b）所示,。這些低維輸運(yùn)完全是由節(jié)線的色散所導(dǎo)致的,，并不要求體系具有層狀或鏈狀結(jié)構(gòu)。
圖1 (a) 理想的Z3節(jié)線（nz = 1）和 (b) 理想的交叉Z3節(jié)線（nx= 1, nz = 1）的示意圖,。從左到右的圖形分別表示節(jié)線的形狀,、能帶結(jié)構(gòu)和費(fèi)米面。
交錯(cuò)磁和理想交叉Z3節(jié)線的結(jié)合為實(shí)現(xiàn)全新的,、準(zhǔn)一維自旋輸運(yùn)提供了一種新的可能,。通過(guò)第一性原理計(jì)算, 研究發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)磁性材料β-Fe2(PO4)O、Co2(PO4)O和LiTi2O4在兩個(gè)自旋通道的費(fèi)米面附近都均具有理想的交叉Z3節(jié)線,，如圖2-3所示,。這兩個(gè)自旋極化的Z3交叉節(jié)線由C4zT對(duì)稱性相連接，并在布里淵區(qū)邊界處相互接觸,，形成一種新的交錯(cuò)磁性的Z3拓?fù)涔?jié)線網(wǎng),，如圖3所示。因此,，上述三種材料在每個(gè)自旋通道中都表現(xiàn)出準(zhǔn)一維的,、自旋極化的電子輸運(yùn)，并且這兩個(gè)準(zhǔn)一維的自旋極化電流的主要移動(dòng)方向是正交的,，從而形成全新的,、方向依賴的、準(zhǔn)一維自旋輸運(yùn),，如圖4所示,。這項(xiàng)研究工作不僅擴(kuò)展了人們對(duì)準(zhǔn)一維輸運(yùn)的理解，還為探索拓?fù)浜痛判灾g耦合的新奇物理提供了一個(gè)理想的材料平臺(tái),。
圖2 (a) β-Fe2(PO4)O 的晶胞和 (b) 原胞,。紅色和藍(lán)色箭頭分別表示上自旋和下自旋的磁矩。(c) 表示布里淵區(qū),。
圖3 (a) β-Fe2(PO4)O的能帶結(jié)構(gòu)和投影態(tài)密度,。綠色高亮區(qū)域表示Z3交錯(cuò)磁性的節(jié)線網(wǎng)出現(xiàn)的能量區(qū)間。(b) 上自旋和下自旋通道中Z3交叉節(jié)線的形狀,。這兩條Z3交叉節(jié)線形成了一個(gè)Z3節(jié)線網(wǎng),。(c) 在 kz = 0 平面上，上下自旋通道的Z3節(jié)線形狀,，如 (b) 中的箭頭所示,。
圖4 在(a)上自旋和(b)下自旋通道中 β-Fe2(PO4)O化合物的電子電導(dǎo)率（左軸）和（右軸）。綠色陰影為交錯(cuò)磁性的Z3節(jié)線網(wǎng)出現(xiàn)的區(qū)域。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院的余智明教授和河北工業(yè)大學(xué)的張小明教授為論文的共同通訊作者,、何婷麗博士后和黎磊博士后為論文的共同第一作者,。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和中國(guó)博士后基金等項(xiàng)目的大力支持。
文章信息：
Tingli He,# Lei Li,# Chaoxi Cui, Run-Wu Zhang, Zhi-Ming Yu,* Guodong Liu, and Xiaoming Zhang*; “Quasi-One-Dimensional Spin Transport in Altermagnetic Z3 Nodal Net Metals”, Physical Review Letters 133, 146602 (2024).
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