(纯计算)新疆大学/北京理工大学Nano Lett.: 二维自旋反铁电交错磁体及其巨自旋劈裂：从模型到材料实现

多铁材料以磁性和（反）铁电序共存为特征，具有本征磁电耦合效应，并为通过外加磁场和电场调控电子性质提供了通用平台。然而，铁电态要求材料具有绝缘行为，这往往与铁磁性的金属性质不相容。因此，通过将反铁磁体与（反）铁电态相结合来实现多铁性已成为一种可行且被广泛采用的策略。尽管如此，这类基于反铁磁体的多铁材料应用受到一个根本限制的严重制约：传统反铁磁体通常表现出自旋简并的能带（缺乏自旋极化），阻碍了其在自旋电子器件中的应用。

交错磁体的出现为这一困境提供了有前景的解决方案。交错磁体是一类新兴的磁性材料，结合了铁磁体和反铁磁体的特性，由于时间反演对称性与晶体对称性的共同作用，表现出自旋极化的能带结构和零净磁矩。当前对交错磁体的研究已经探索了各种奇异现象，包括自旋极化电流、非平庸超导性、压磁效应、反常霍尔效应以及其他引人入胜的自旋电子学行为。

最近，交错磁性与多铁性的交叉领域引起了显著的理论关注。研究集中在各种耦合机制上，包括交错磁序与（反）铁电性之间的耦合、分数量子铁电性、交错磁电效应以及第二类反铁电性。然而，这些已报道的多铁性交错磁体候选材料中的一个反复出现的局限性是它们相对较弱的自旋劈裂。这一挑战引出了一个基本问题：是否存在一种通用策略来显著增强自旋差异，或者合理设计本身就具有大本征自旋劈裂的多铁性交错磁体？

在此研究中，基于近期提出的自旋反铁电（AFE）概念，作者构建了一类二维多铁性交错磁体，称为二维自旋反铁电交错磁体（AFEAM），使得能够通过栅极电场对自旋极化进行电学调控。此外，提出了一种用于构建具有大本征自旋劈裂的二维自旋反铁电交错磁体的通用设计策略。在该策略的指导下，预测了单层(CoCl)₂Te及其家族材料是二维自旋反铁电交错磁体的潜在候选材料。同时，揭示了单层(CoCl)₂Te中高度可调的输运机制，其中自旋电流在空穴掺杂时可通过面内电场角度进行切换，在电子掺杂时则可通过栅极电场极性进行切换。这项研究工作丰富了二维多铁材料家族，并为实现高性能、电学可切换的交错磁体自旋电子器件提供了蓝图。

图3 (a和b) 单层(CoCl)₂Te的原子结构；(b) 自旋密度差，即自旋向上密度减去自旋向下密度；(c, e) 未考虑SOC时的电子能带结构，分别对应无栅极电场和存在栅极电场(E_z = 0.2 eV/Å)的情况；(d) 声子谱；(f) CBM的自旋劈裂(ΔE_c)和VBM的自旋劈裂(ΔE_v)随栅极电场的变化；(g-h) 根据公式得到的自旋分辨极化密度

图4 (a) 在300 K温度下，栅极电场为E_z = 0.2 eV/Å时，玻尔兹曼电导率随能量的变化；(c) 空穴掺杂情况下纵向电导率(σ^L)和横向电导率(σ^T)的角度依赖关系；(e) 电子掺杂情况下对应的电导率图；(b, d, f) 在反向栅极电场为E_z = -0.2 eV/Å条件下计算的等效结果

声 明：文章内容来源于科研任我行。仅作分享，不代表本号立场；图片非商业用途。如有侵权，请联系小编删除，谢谢！