北理工團隊在磁性拓?fù)浒虢饘俜闯Ｅc自旋輸運性質(zhì)的研究中取得重要進展
發(fā)布日期：2022-08-24 供稿：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：姜艷 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴、馮萬祥教授團隊在磁性拓?fù)浒虢饘俚难芯恐腥〉弥匾M展，發(fā)現(xiàn)了無序和拓?fù)湓鰪姷姆闯：妥孕斶\性質(zhì)。研究成果發(fā)表于物理學(xué)頂級期刊Physical Review Letters。
反常電荷與自旋輸運現(xiàn)象一直是凝聚態(tài)物理學(xué)中的熱門研究議題，也是實現(xiàn)自旋電子學(xué)器件最具競爭力的方式之一。典型的反常電荷與自旋輸運現(xiàn)象包括反常/自旋霍爾效應(yīng)和反常/自旋能斯特效應(yīng)，分別描述磁性材料中由縱向電場或溫度梯度引起的橫向電荷/自旋流的物理現(xiàn)象。最近的理論和實驗研究表明，磁性拓?fù)洳牧现械耐鉅桙c或節(jié)線處會產(chǎn)生極大的貝里曲率，進而導(dǎo)致拓?fù)湓鰪姷姆闯：妥孕斶\行為。然而，有兩個關(guān)鍵科學(xué)問題一直沒有解決：其一，過去只關(guān)注貝里曲率導(dǎo)致的內(nèi)稟機制，而由無序引起的外在機制對磁性拓?fù)洳牧现蟹闯：妥孕斶\性質(zhì)的貢獻仍不清楚；其二，過去研究的磁性拓?fù)洳牧显谫M米能級附近總是存在一些拓?fù)淦接沟哪軒?，拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)與反常和自旋輸運性質(zhì)實際上并沒有一個非常清楚的聯(lián)系。
圖1 (a-c) 自旋零帶隙節(jié)線半金屬 M F3 ( M = Pd, Mn)的晶體結(jié)構(gòu)、布里淵區(qū)與自旋極化能帶結(jié)構(gòu)；(d) 自旋零帶隙節(jié)線半金屬中由反常/自旋霍爾效應(yīng)、反常/自旋能斯特效應(yīng)引起的完全自旋極化的橫向電荷/自旋流示意圖。
北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴團隊長期致力于反常輸運現(xiàn)象的研究，為解決以上兩個問題，基于該團隊2020年提出的一種新型磁性拓?fù)淞孔硬牧稀孕銕豆?jié)線半金屬【Phys. Rev. Lett. 124, 016402 (2020)】，他們詳細(xì)地研究了這類材料的內(nèi)稟與外在反常與自旋輸運性質(zhì)。這里以 M F3 ( M = Pd, Mn)為例，其電子結(jié)構(gòu)在費米能級處展示出具有超干凈的完全自旋極化的節(jié)線半金屬態(tài)，可以實現(xiàn)超高的費米速度與100%自旋極化率，為探索拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)對反常與自旋輸運性質(zhì)的貢獻提供了一個絕佳的材料平臺，可以排除所有平庸能帶的干擾（如圖1）。此外，研究團隊定量計算了貝里曲率導(dǎo)致的內(nèi)稟機制和無序引起的外在機制（包括斜散射與邊跳機制）對反常與自旋輸運性質(zhì)的貢獻。結(jié)果顯示，內(nèi)稟機制起主要貢獻，邊跳機制幾乎可以忽略，但斜散射機制會進一步提高反常與自旋輸運信號（如圖2）。 M F3 ( M = Pd, Mn)的反?；魻柵c反常能斯特電導(dǎo)分別可以達到650 S/Cm和2.8 A/Km，后者比傳統(tǒng)鐵磁材料（0~1 A/Km）幾乎大了一個量級。該研究工作不僅清晰地建立了拓?fù)潆娮咏Y(jié)構(gòu)與反常輸運之間的聯(lián)系，也加深了對磁性拓?fù)洳牧现蟹闯］斶\的內(nèi)稟與外在機制的理解。據(jù)此，研究團隊提出自旋零帶隙節(jié)線半金屬這類性能優(yōu)異的磁性拓?fù)洳牧峡梢燥@著地提高能量轉(zhuǎn)換效率，為實現(xiàn)低能耗、高集成度的新型拓?fù)渥孕娮訉W(xué)器件提供了新的材料平臺。
圖2 (a-b) 自旋零帶隙節(jié)線半金屬 M F3 ( M = Pd, Mn)的反?；魻栯妼?dǎo)率及其不同物理機制的貢獻隨著縱向電導(dǎo)率的變化關(guān)系；(c) 不同物理機制下的反常霍爾電導(dǎo)率隨著費米能級的變化關(guān)系；(d-e) 不同物理機制下的反常能斯特電導(dǎo)率隨著溫度和能量的變化關(guān)系。
該工作的第一單位為北京理工大學(xué)。北京理工大學(xué)物理學(xué)院的馮萬祥教授、姚裕貴教授和德國于利希研究中心的Yuriy Mokrousov副教授為論文的共同通訊作者，物理學(xué)院博士生周小東為論文的第一作者，博士后張閏午、博士生楊修先、博士生李小平為論文的共同作者。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、北京理工大學(xué)科技創(chuàng)新計劃人才項目、中德國際合作項目的支持。
Xiaodong Zhou, Run-Wu Zhang, Xiuxian Yang, Xiao-Ping Li, Wanxiang Feng*, Yuriy Mokrousov*, and Yugui Yao*, “Disorder- and Topology-Enhanced Fully Spin-Polarized Currents in Nodal Chain Spin-Gapless Semimetals”, Phys. Rev. Lett. 129, 097201 (2022). (*為通訊作者)
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.097201
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