北理工團隊在新型磁性拓撲準(zhǔn)半金屬研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2021-11-10 供稿：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近年來，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授研究團隊與合作者在新型磁性拓撲量子態(tài)及其物性研究方面取得了一系列重要進展,。例如,，首次提出了拓撲磁光效應(yīng)及其量子化【Nat. Commun., 11, 118 (2020)】,；預(yù)言了一種新的拓撲量子物態(tài)：自旋零帶隙節(jié)線半金屬【Phys. Rev. Lett., 124, 016402(2020)】；首次在鐵磁單原子層GdAg2材料中觀測到二維外爾“節(jié)線”半金屬【Phys. Rev. Lett., 123, 116401 (2019)】,；提出了磁化方向調(diào)控節(jié)線和外爾相的理論【Phys. Rev. B, 98, 121103(R) (2018)】以及復(fù)合節(jié)-點線外爾半金屬概念【J. Phys. Chem. Lett. 10(10), 2508 (2019)】等等,。此外，他們進一步探索了高品質(zhì)的磁性拓撲候選材料,，例如預(yù)測了自旋零帶隙拓撲節(jié)線和節(jié)面半金屬材料CaFeO3【Phys. Rev. B, 103, 195115 (2021),，Editor’s Suggestion】、二維磁谷半導(dǎo)體VSi2N4系列材料并從中發(fā)現(xiàn)谷依賴的貝里相位信號相反的調(diào)控規(guī)律【npj Comput. Mater., (2021), 7:160】,、自旋極化節(jié)線半金屬- 二維堿金屬硫族化合物【J. Phys. Chem. Lett. 10(11), 3101 (2019)】等,。這些研究工作引起了國內(nèi)外廣泛關(guān)注。
最近,，北京理工大學(xué)姚裕貴教授研究團隊在新型磁性拓撲準(zhǔn)半金屬研究方面又取得進一步的研究進展,。基于有效模型分析和第一性原理方法,，他們在“軟鐵磁”材料LiV2F6中預(yù)言了最簡單的外爾節(jié)線單環(huán)形式,，即外爾單環(huán)準(zhǔn)半金屬。相關(guān)研究成果于近日發(fā)表在Nano Letters 21, 8749-8755 (2021),。
目前,，已發(fā)現(xiàn)或預(yù)言的拓撲準(zhǔn)金屬（semi-metal）的能帶節(jié)點或節(jié)線大都遠離費米能級，導(dǎo)致本該具有的奇特性能在實驗上難以觀測,，因而搜尋能帶節(jié)點或節(jié)線恰好在費米能級處的理想磁性拓撲準(zhǔn)金屬仍是當(dāng)前亟需解決的問題,。另一方面，自旋極化率為100%的磁性半金屬(half-metal)在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用,。結(jié)合準(zhǔn)金屬和半金屬的各自優(yōu)勢,，發(fā)現(xiàn)能帶交叉恰好處于費米能級處且具有100%自旋極化的磁性拓撲準(zhǔn)半金屬(semi-half-metal)成為解決問題的關(guān)鍵。拓撲序與磁有序相互作用,，能衍生出新奇的物理效應(yīng)（如量子反?；魻栃?yīng)、反常能斯特效應(yīng)）,，將在未來信息技術(shù)領(lǐng)域中產(chǎn)生重大的應(yīng)用價值。因此,，探索高性能磁性拓撲準(zhǔn)半金屬及其物性成為凝聚態(tài)領(lǐng)域關(guān)注的焦點,。
圖1: 節(jié)線準(zhǔn)半金屬三維能帶示意圖。紅色代表自旋向上的通道,，藍色代表自旋向下的通道,；黃色代表節(jié)線態(tài)；綠色表示垂直于z軸的鏡面,。
姚等人首先對鐵磁體系的節(jié)線態(tài)進行了分類：一類是由相反自旋通道形成的節(jié)線,，另一類是由相同自旋通道構(gòu)成的節(jié)線（圖1）,。嚴(yán)格而言，前者為鐵磁金屬,，后者方為鐵磁半金屬,。值得注意的是，若后者在費米能級處形成節(jié)線態(tài),，那么該類型稱之為準(zhǔn)半金屬,。其節(jié)線費米子具有100%的自旋極化率，預(yù)計在自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景,。如圖2所示,，基于有效模型分析和第一性原理方法，他們預(yù)言了“軟鐵磁”材料LiV2F6具有超干凈的能帶色散,、最簡單的節(jié)線形式,、超平的鼓膜表面態(tài)，極有可能給關(guān)聯(lián)自旋物理提供一個理想的研究平臺,。該工作一方面通過磁晶各向異性能計算證明了鐵磁材料LiV2F6沿[001]方向能量最低,；另一方面考慮到拓撲節(jié)線單環(huán)受鏡面(Mz)對稱性保護。這兩種情況同時存在,，即使在考慮自旋軌道耦合的情況下,，節(jié)線單環(huán)仍存在，是真正意義上的外爾節(jié)線單環(huán)準(zhǔn)半金屬,。由于“軟鐵磁”LiV2F6具有較低的磁各向異性能,，通過外場可較容易地改變磁矩的取向，能夠?qū)崿F(xiàn)面內(nèi)磁化的反?；魻栃?yīng),。該工作將為進一步的實驗證實和應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，為實現(xiàn)高效低耗,、高集成度的微型化新型拓撲自旋電子學(xué)器件和拓撲量子器件等提供潛在可能,。
圖2: (a)為LiV2F6的晶體結(jié)構(gòu)；圖(b)為LiV2F6的自旋極化能帶圖和態(tài)密度圖,；圖(c)為位于 kz ="0的三維節(jié)線輪廓圖,；圖(d)為LiV2F6的[001]面的表面色散和態(tài)密度；圖(e)為在極角 θ = 0°,、30°,、60°和90°時，本征反?；魻栯妼?dǎo)σzx分布圖,。
該工作得到國家自然科學(xué)基金委、科技部,、中國博士后科學(xué)基金會等單位的支持,。北京理工大學(xué)張閏午（博士后）,、周小東（博士生）為該工作的共同第一作者，張澤英（2019屆博士畢業(yè)生,，現(xiàn)供職于北京化工大學(xué)）,、馮萬祥教授、姚裕貴教授為共同通訊,。相關(guān)結(jié)果發(fā)表于國際頂級期刊Nano Letters（IF: 11.189）：Run-Wu Zhang,? Xiaodong Zhou,? Zeying Zhang*, Da-Shuai Ma, Zhi-Ming Yu, Wanxiang Feng*, and Yugui Yao*; “Weyl Monoloop Semi-half-metal and Tunable Anomalous Hall Effect”, Nano Letters, 21, 8749-8755 (2021). (?為共同一作,；*為共同通訊作者。)
文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02968
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