北理工團(tuán)隊(duì)在磁性拓?fù)浒虢饘俜闯Ｅc自旋輸運(yùn)性質(zhì)的研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2022-08-24 供稿：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、馮萬(wàn)祥教授團(tuán)隊(duì)在磁性拓?fù)浒虢饘俚难芯恐腥〉弥匾M(jìn)展,，發(fā)現(xiàn)了無(wú)序和拓?fù)湓鰪?qiáng)的反常和自旋輸運(yùn)性質(zhì),。研究成果發(fā)表于物理學(xué)頂級(jí)期刊Physical Review Letters,。
反常電荷與自旋輸運(yùn)現(xiàn)象一直是凝聚態(tài)物理學(xué)中的熱門研究議題,，也是實(shí)現(xiàn)自旋電子學(xué)器件最具競(jìng)爭(zhēng)力的方式之一。典型的反常電荷與自旋輸運(yùn)現(xiàn)象包括反常/自旋霍爾效應(yīng)和反常/自旋能斯特效應(yīng),，分別描述磁性材料中由縱向電場(chǎng)或溫度梯度引起的橫向電荷/自旋流的物理現(xiàn)象,。最近的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，磁性拓?fù)洳牧现械耐鉅桙c(diǎn)或節(jié)線處會(huì)產(chǎn)生極大的貝里曲率,，進(jìn)而導(dǎo)致拓?fù)湓鰪?qiáng)的反常和自旋輸運(yùn)行為,。然而，有兩個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題一直沒(méi)有解決：其一,，過(guò)去只關(guān)注貝里曲率導(dǎo)致的內(nèi)稟機(jī)制,，而由無(wú)序引起的外在機(jī)制對(duì)磁性拓?fù)洳牧现蟹闯：妥孕斶\(yùn)性質(zhì)的貢獻(xiàn)仍不清楚；其二,，過(guò)去研究的磁性拓?fù)洳牧显谫M(fèi)米能級(jí)附近總是存在一些拓?fù)淦接沟哪軒?，拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)與反常和自旋輸運(yùn)性質(zhì)實(shí)際上并沒(méi)有一個(gè)非常清楚的聯(lián)系。
圖1 (a-c) 自旋零帶隙節(jié)線半金屬 M F3 ( M = Pd, Mn)的晶體結(jié)構(gòu),、布里淵區(qū)與自旋極化能帶結(jié)構(gòu),；(d) 自旋零帶隙節(jié)線半金屬中由反常/自旋霍爾效應(yīng)、反常/自旋能斯特效應(yīng)引起的完全自旋極化的橫向電荷/自旋流示意圖,。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于反常輸運(yùn)現(xiàn)象的研究,，為解決以上兩個(gè)問(wèn)題，基于該團(tuán)隊(duì)2020年提出的一種新型磁性拓?fù)淞孔硬牧稀孕銕豆?jié)線半金屬【Phys. Rev. Lett. 124, 016402 (2020)】,，他們?cè)敿?xì)地研究了這類材料的內(nèi)稟與外在反常與自旋輸運(yùn)性質(zhì)。這里以 M F3 ( M = Pd, Mn)為例,，其電子結(jié)構(gòu)在費(fèi)米能級(jí)處展示出具有超干凈的完全自旋極化的節(jié)線半金屬態(tài),，可以實(shí)現(xiàn)超高的費(fèi)米速度與100%自旋極化率，為探索拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)對(duì)反常與自旋輸運(yùn)性質(zhì)的貢獻(xiàn)提供了一個(gè)絕佳的材料平臺(tái),，可以排除所有平庸能帶的干擾（如圖1）,。此外，研究團(tuán)隊(duì)定量計(jì)算了貝里曲率導(dǎo)致的內(nèi)稟機(jī)制和無(wú)序引起的外在機(jī)制（包括斜散射與邊跳機(jī)制）對(duì)反常與自旋輸運(yùn)性質(zhì)的貢獻(xiàn),。結(jié)果顯示,，內(nèi)稟機(jī)制起主要貢獻(xiàn),，邊跳機(jī)制幾乎可以忽略，但斜散射機(jī)制會(huì)進(jìn)一步提高反常與自旋輸運(yùn)信號(hào)（如圖2）,。 M F3 ( M = Pd, Mn)的反?；魻柵c反常能斯特電導(dǎo)分別可以達(dá)到650 S/Cm和2.8 A/Km，后者比傳統(tǒng)鐵磁材料（0~1 A/Km）幾乎大了一個(gè)量級(jí),。該研究工作不僅清晰地建立了拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)與反常輸運(yùn)之間的聯(lián)系,，也加深了對(duì)磁性拓?fù)洳牧现蟹闯］斶\(yùn)的內(nèi)稟與外在機(jī)制的理解。據(jù)此,，研究團(tuán)隊(duì)提出自旋零帶隙節(jié)線半金屬這類性能優(yōu)異的磁性拓?fù)洳牧峡梢燥@著地提高能量轉(zhuǎn)換效率,，為實(shí)現(xiàn)低能耗、高集成度的新型拓?fù)渥孕娮訉W(xué)器件提供了新的材料平臺(tái),。
圖2 (a-b) 自旋零帶隙節(jié)線半金屬 M F3 ( M = Pd, Mn)的反?；魻栯妼?dǎo)率及其不同物理機(jī)制的貢獻(xiàn)隨著縱向電導(dǎo)率的變化關(guān)系；(c) 不同物理機(jī)制下的反?；魻栯妼?dǎo)率隨著費(fèi)米能級(jí)的變化關(guān)系,；(d-e) 不同物理機(jī)制下的反常能斯特電導(dǎo)率隨著溫度和能量的變化關(guān)系。
該工作的第一單位為北京理工大學(xué),。北京理工大學(xué)物理學(xué)院的馮萬(wàn)祥教授,、姚裕貴教授和德國(guó)于利希研究中心的Yuriy Mokrousov副教授為論文的共同通訊作者，物理學(xué)院博士生周小東為論文的第一作者,，博士后張閏午,、博士生楊修先、博士生李小平為論文的共同作者,。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)基金委、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計(jì)劃人才項(xiàng)目,、中德國(guó)際合作項(xiàng)目的支持,。
Xiaodong Zhou, Run-Wu Zhang, Xiuxian Yang, Xiao-Ping Li, Wanxiang Feng*, Yuriy Mokrousov*, and Yugui Yao*, “Disorder- and Topology-Enhanced Fully Spin-Polarized Currents in Nodal Chain Spin-Gapless Semimetals”, Phys. Rev. Lett. 129, 097201 (2022). (*為通訊作者)
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.097201
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