【纯计算】西安邮电大学郭三栋副教授PRB-Letter：电势差反铁磁概念的提出

研究背景

在自旋电子学领域，自旋极化对构建自旋电子器件至关重要。与铁磁材料相比，反铁磁材料具有零净磁矩、零杂散磁场、超快磁动力学响应等优点，有望取代铁磁材料，实现高密度、低功耗、高稳定性、超快读写的下一代自旋电子学。尽管如此，由于反铁磁材料只有自旋简并的能带，通常只能支持自旋中性的电流。最近，新的磁有序交互磁性（altermagnetism）被提出，它既具有铁磁性的时间反演对称性破缺，能带上呈现自旋劈裂（不需要考虑自旋轨道耦合效应）；又兼具反铁磁性的opposite-spin sublattice，为补偿的反平行magnetic crystal order，使净磁化强度为零。除了交互磁性，研究其它类型反铁磁中的自发自旋劈裂是非常重要和有意义的。这些材料为构建新型反铁磁自旋电子器件提供了基础。

成果简介

来自西安邮电大学电子工程学院的郭三栋副教授提出了电势差反铁磁的概念（图1）。在具有面外中心对称的典型二维材料中，磁性原子如果具有相反的层自旋极化，即A型反铁磁序，能带结构是自旋简并的[图1(a)和1(b)]。在具有A型反铁磁序的二维Janus材料中，由于面外中心对称的破缺而产生的内建面外电场Eb，破坏了能带结构中的自旋简并[图1(c)和1(d)]。这种自旋简并破缺是由于内建电场产生的层依赖静电势，导致不同层的电子能带错开，从而产生自旋劈裂。我们将这种系统称为电势差反铁磁。 通过第一性原理计算了Janus 单层 Mn₂ClF的能带结构（图2），验证了我们的提议。

对二维交互磁性，假设磁性原子具有相反的层自旋极化(A型反铁磁序)。在缺少面外内建电场的情况下，能带结构中仍然可以观察到明显的自旋劈裂[图3(a)和3(b)]，但是自旋谷极化是缺乏的。对于A型反铁磁有序的二维Janus交互磁性，面外内建电场Eb可以诱发自旋谷极化[图3(c)和3(d)]。因此，本文提出的概念可以推广到二维Janus A型交互磁材料，称为电势差交互磁性。这种既具有交互磁性又具有电势差反铁磁性的实际材料有待进一步搜寻。

相关成果以“Spontaneous spin splitting in electric potential difference antiferromagnetism”为题以Letter形式发表在期刊《Physical Review B》上（DOI: 10.1103/PhysRevB.108.L180403）。该论文第一作者和唯一通讯作者都为郭三栋副教授。

最近郭三栋副教授在前期研究基础上提出了一个简单方便直觉的方法寻找存在自发自旋劈裂反铁磁的方法（arXiv:2308.14097），图4。自旋向上和向下的磁性原子周围环境不同就可以导致自旋劈裂。文中举了四个例子说明此提议（图5，图6，图7，图8）：交互磁性，电势差反铁磁，4d电子能量高于3d电子能量导致自旋劈裂和Jahn-Teller扭曲程度不一样导致自旋劈裂。

图文导读

图1：电势差反铁磁示意图

图2：单层 Mn₂ClF的晶体结构和能带结构

图3：电势差交互磁示意图

图6：电势差反铁磁：自旋向上和向下磁性原子的电势差不同导致自旋劈裂

图7：4d电子能量高于3d电子能量导致自旋劈裂

作者介绍

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论文链接：

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.108.L180403