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近年来,北京理工大学物理学院姚裕贵教授研究团队与合作者在新型磁性拓扑量子态及其物性研究方面取得了一系列重要进展。例如,首次提出了拓扑磁光效应及其量子化【Nat. Commun., 11, 118 (2020)】;预言了一种新的拓扑量子物态:自旋零带隙节线半金属【Phys. Rev. Lett., 124, 016402(2020)】;首次在铁磁单原子层GdAg2材料中观测到二维外尔“节线”半金属【Phys. Rev. Lett., 123, 116401 (2019)】;提出了磁化方向调控节线和外尔相的理论【Phys. Rev. B, 98, 121103(R) (2018)】以及复合节-点线外尔半金属概念【J. Phys. Chem. Lett. 10(10), 2508 (2019)】等等。此外,他们进一步探索了高品质的磁性拓扑候选材料,例如预测了自旋零带隙拓扑节线和节面半金属材料CaFeO3【Phys. Rev. B, 103, 195115 (2021),Editor’s Suggestion】、二维磁谷半导体VSi2N4系列材料并从中发现谷依赖的贝里相位信号相反的调控规律【npj Comput. Mater., (2021), 7:160】、自旋极化节线半金属- 二维碱金属硫族化合物【J. Phys. Chem. Lett. 10(11), 3101 (2019)】等。这些研究工作引起了国内外广泛关注。

最近,北京理工大學姚裕貴教授研究團隊在新型磁性拓撲准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中预言了最简单的外尔节线单环形式,即外尔单环准半金属。相关研究成果于近日发表在Nano Letters 21, 8749-8755 (2021)。

目前,已發現或預言的拓撲准金屬(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准金屬仍是當前亟需解決的問題。另一方面,自旋極化率爲100%的磁性半金屬(half-metal)在自旋電子學領域具有廣泛的應用。結合准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准半金屬(semi-half-metal)成爲解決問題的關鍵。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産生重大的應用價值。因此,探索高性能磁性拓撲准半金屬及其物性成爲凝聚態領域關注的焦點。

图1: 节线准半金属三维能带示意图。红色代表自旋向上的通道,蓝色代表自旋向下的通道;黄色代表节线态;绿色表示垂直于z轴的镜面。

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,前者爲鐵磁金屬,後者方爲鐵磁半金屬。值得注意的是,若後者在費米能級處形成節線態,那麽該類型稱之爲准半金屬。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具有超幹淨的能帶色散、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台。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准半金屬。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。該工作將爲進一步的實驗證實和應用奠定理論基礎,爲實現高效低耗、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。

图2: (a)为LiV2F6的晶體結構;圖(b)爲LiV2F6的自旋极化能带图和态密度图;图(c)为位于 kz ="0的三維節線輪廓圖;圖(d)爲LiV2F6的[001]面的表面色散和态密度;图(e)为在极角 θ  = 0°、30°、60°和90°时,本征反常霍尔电导σzx分布圖。

该工作得到国家自然科学基金委、科技部、中国博士后科学基金会等单位的支持。北京理工大学张闰午(博士后)、周小东(博士生)为该工作的共同第一作者,张泽英(2019届博士毕业生,现供职于北京化工大学)、冯万祥教授、姚裕贵教授为共同通讯。相关结果发表于国际顶级期刊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). (?为共同一作;*为共同通讯作者。)

文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02968


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