北理工團隊在新型磁性拓撲準半金屬研究中取得重要進展
發布日期：2021-11-10 供稿：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數：
近年來，北京理工大學物理學院姚裕貴教授研究團隊與合作者在新型磁性拓撲量子態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及其量子化【Nat. Commun., 11, 118 (2020)】；預言了一種新的拓撲量子物態：自旋零帶隙節線半金屬【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“節線”半金屬【Phys. Rev. Lett., 123, 116401 (2019)】；提出了磁化方向調控節線和外爾相的理論【Phys. Rev. B, 98, 121103(R) (2018)】以及復合節-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的磁性拓撲候選材料，例如預測了自旋零帶隙拓撲節線和節面半金屬材料CaFeO3【Phys. Rev. B, 103, 195115 (2021)，Editor’s Suggestion】、二維磁谷半導體VSi2N4系列材料并從中發現谷依賴的貝里相位信號相反的調控規律【npj Comput. Mater., (2021), 7:160】、自旋極化節線半金屬- 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外廣泛關注。
最近，北京理工大學姚裕貴教授研究團隊在新型磁性拓撲準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中預言了最簡單的外爾節線單環形式，即外爾單環準半金屬。相關研究成果于近日發表在Nano Letters 21, 8749-8755 (2021)。
目前，已發現或預言的拓撲準金屬（semi-metal）的能帶節點或節線大都遠離費米能級，導致本該具有的奇特性能在實驗上難以觀測，因而搜尋能帶節點或節線恰好在費米能級處的理想磁性拓撲準金屬仍是當前亟需解決的問題。另一方面，自旋極化率為100%的磁性半金屬(half-metal)在自旋電子學領域具有廣泛的應用。結合準金屬和半金屬的各自優勢，發現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半金屬(semi-half-metal)成為解決問題的關鍵。拓撲序與磁有序相互作用，能衍生出新奇的物理效應（如量子反常霍爾效應、反常能斯特效應），將在未來信息技術領域中產生重大的應用價值。因此，探索高性能磁性拓撲準半金屬及其物性成為凝聚態領域關注的焦點。
圖1: 節線準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；黃色代表節線態；綠色表示垂直于z軸的鏡面。
姚等人首先對鐵磁體系的節線態進行了分類：一類是由相反自旋通道形成的節線，另一類是由相同自旋通道構成的節線（圖1）。嚴格而言，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線態，那么該類型稱之為準半金屬。其節線費米子具有100%的自旋極化率，預計在自旋電子學領域具有非常重要的應用前景。如圖2所示，基于有效模型分析和第一性原理方法，他們預言了“軟鐵磁”材料LiV2F6具有超干凈的能帶色散、最簡單的節線形式、超平的鼓膜表面態，極有可能給關聯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線單環受鏡面(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，節線單環仍存在，是真正意義上的外爾節線單環準半金屬。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，能夠實現面內磁化的反常霍爾效應。該工作將為進一步的實驗證實和應用奠定理論基礎，為實現高效低耗、高集成度的微型化新型拓撲自旋電子學器件和拓撲量子器件等提供潛在可能。
圖2: (a)為LiV2F6的晶體結構；圖(b)為LiV2F6的自旋極化能帶圖和態密度圖；圖(c)為位于 kz ="0的三維節線輪廓圖；圖(d)為LiV2F6的[001]面的表面色散和態密度；圖(e)為在極角 θ = 0°、30°、60°和90°時，本征反常霍爾電導σzx分布圖。
該工作得到國家自然科學基金委、科技部、中國博士后科學基金會等單位的支持。北京理工大學張閏午（博士后）、周小東（博士生）為該工作的共同第一作者，張澤英（2019屆博士畢業生，現供職于北京化工大學）、馮萬祥教授、姚裕貴教授為共同通訊。相關結果發表于國際頂級期刊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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