北理工團隊在自旋電子學領域取得新進展
發(fā)布日期：2024-10-25 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：近日，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊中的余智明教授等人和河北工業(yè)大學張小明教授課題組合作，在交錯磁拓撲半金屬研究中，提出了一種全新的、方向依賴的準一維自旋輸運。該工作以“Quasi-One-Dimensional Spin Transport in Altermagnetic Z3 Nodal Net Metals”為題發(fā)表于物理學頂級期刊《Physical Review Letters》，并被選為編輯推薦。
自旋電子學領域的核心之一是揭示全新的、與自旋相關(guān)的磁阻和輸運現(xiàn)象。同時，在輸運研究中一直有一個傳統(tǒng)觀念：準一維的輸運是由實空間中的強各向異性引起，通常只會出現(xiàn)在具有準一維鏈狀結(jié)構(gòu)的體系中。但是，直接決定體系輸運物性的是體系在動量空間中的能帶結(jié)構(gòu)，而不是其在實空間中的晶體結(jié)構(gòu)。該物理機制雖然直觀且早已為大家熟知，但在低維輸運研究中卻經(jīng)常被忽視。
在本研究中，河北工業(yè)大學張小明教授課題組與北京理工大學余智明教授等人展開合作，超越傳統(tǒng)概念，通過結(jié)合交錯磁性和Z3拓撲節(jié)線，提出了全新的、不需要鏈狀結(jié)構(gòu)的準一維自旋輸運。交錯磁和傳統(tǒng)反鐵磁一樣是磁性材料但沒有凈磁矩，但交錯磁在不考慮自旋軌道耦合的情況下具有很強的自旋分裂。Z3拓撲節(jié)線是一種穿過整個三維布里淵區(qū)的特殊節(jié)線，其拓撲特征可以用三個整數(shù)（n x ，n y ，n z ）來表示，其中每個整數(shù)表示節(jié)線在布里淵區(qū)中圍繞相應方向纏繞的次數(shù)。由于特殊的能帶色散，一個理想的Z3節(jié)線：也即在動量空間沒有彎曲且在能量空間沒有起伏的節(jié)線能夠產(chǎn)生準二維的輸運，如圖1（a）所示。此外，兩條理想的Z3節(jié)線可以構(gòu)成了一個交叉的Z3節(jié)線，并將導致準一維的輸運，如圖1（b）所示。這些低維輸運完全是由節(jié)線的色散所導致的，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)和費米面。
交錯磁和理想交叉Z3節(jié)線的結(jié)合為實現(xiàn)全新的、準一維自旋輸運提供了一種新的可能。通過第一性原理計算, 研究發(fā)現(xiàn)交錯磁性材料β-Fe2(PO4)O、Co2(PO4)O和LiTi2O4在兩個自旋通道的費米面附近都均具有理想的交叉Z3節(jié)線，如圖2-3所示。這兩個自旋極化的Z3交叉節(jié)線由C4zT對稱性相連接，并在布里淵區(qū)邊界處相互接觸，形成一種新的交錯磁性的Z3拓撲節(jié)線網(wǎng)，如圖3所示。因此，上述三種材料在每個自旋通道中都表現(xiàn)出準一維的、自旋極化的電子輸運，并且這兩個準一維的自旋極化電流的主要移動方向是正交的，從而形成全新的、方向依賴的、準一維自旋輸運，如圖4所示。這項研究工作不僅擴展了人們對準一維輸運的理解，還為探索拓撲和磁性之間耦合的新奇物理提供了一個理想的材料平臺。
圖2 (a) β-Fe2(PO4)O 的晶胞和 (b) 原胞。紅色和藍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化合物的電子電導率（左軸）和（右軸）。綠色陰影為交錯磁性的Z3節(jié)線網(wǎng)出現(xiàn)的區(qū)域。
北京理工大學物理學院的余智明教授和河北工業(yè)大學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。該工作得到國家自然科學基金和中國博士后基金等項目的大力支持。
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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