老哥俱乐部工团队在自旋电子学领域取得新希望
宣布日期：2024-10-25 供稿：物理学院 摄影：物理学院
编辑：王莉蓉 审核：陈珂 阅读次数：克日，老哥俱乐部物理学院姚裕贵教授团队中的余智明教授等人和河北工业大学张小明教授课题组相助，在交织磁拓扑半金属研究中，提出了一种全新的、偏向依赖的准一维自旋输运。该事情以“Quasi-One-Dimensional Spin Transport in Altermagnetic Z3 Nodal Net Metals”为题揭晓于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》，并被选为编辑推荐。
自旋电子学领域的焦点之一是展现全新的、与自旋相关的磁阻和输运征象。同时，在输运研究中一直有一个古板看法：准一维的输运是由实空间中的强各向异性引起，通常只会泛起在具有准一维链状结构的系统中。可是，直接决议系统输运物性的是系统在动量空间中的能带结构，而不是其在实空间中的晶体结构。该物理机制虽然直观且早已为各人熟知，但在低维输运研究中却经常被忽视。
在本研究中，河北工业大学张小明教授课题组与老哥俱乐部余智明教授等人睁开相助，逾越古板看法，通过团结交织磁性和Z3拓扑节线，提出了全新的、不需要链状结构的准一维自旋输运。交织磁和古板反铁磁一样是磁性子料但没有净磁矩，但交织磁在不思量自旋轨道耦合的情形下具有很强的自旋破碎。Z3拓扑节线是一种穿过整个三维布里渊区的特殊节线，其拓扑特征可以用三个整数（n x ，n y ，n z ）来体现，其中每个整数体现节线在布里渊区中围绕响应偏向纠葛的次数。由于特殊的能带色散，一个理想的Z3节线：也即在动量空间没有弯曲且在能量空间没有升沉的节线能够爆发准二维的输运，如图1（a）所示。别的，两条理想的Z3节线可以组成了一个交织的Z3节线，并将导致准一维的输运，如图1（b）所示。这些低维输运完全是由节线的色散所导致的，并不要求系统具有层状或链状结构。
图1 (a) 理想的Z3节线（nz = 1）和 (b) 理想的交织Z3节线（nx= 1, nz = 1）的示意图。从左到右的图形划分体现节线的形状、能带结构和费米面。
交织磁和理想交织Z3节线的团结为实现全新的、准一维自旋输运提供了一种新的可能。通过第一性原理盘算, 研究发明交织磁性子料β-Fe2(PO4)O、Co2(PO4)O和LiTi2O4在两个自旋通道的费米面周围都均具有理想的交织Z3节线，如图2-3所示。这两个自旋极化的Z3交织节线由C4zT对称性相毗连，并在布里渊区界线处相互接触，形成一种新的交织磁性的Z3拓扑节线网，如图3所示。因此，上述三种质料在每个自旋通道中都体现出准一维的、自旋极化的电子输运，并且这两个准一维的自旋极化电流的主要移动偏向是正交的，从而形玉成新的、偏向依赖的、准一维自旋输运，如图4所示。这项研究事情不但扩展了人们瞄准一维输运的明确，还为探索拓扑和磁性之间耦合的新颖物理提供了一个理想的质料平台。
图2 (a) β-Fe2(PO4)O 的晶胞和 (b) 原胞。红色和蓝色箭头划分体现上自旋和下自旋的磁矩。(c) 体现布里渊区。
图3 (a) β-Fe2(PO4)O的能带结构和投影态密度。绿色高亮区域体现Z3交织磁性的节线网泛起的能量区间。(b) 上自旋和下自旋通道中Z3交织节线的形状。这两条Z3交织节线形成了一个Z3节线网。(c) 在 kz = 0 平面上，上下自旋通道的Z3节线形状，如 (b) 中的箭头所示。
图4 在(a)上自旋和(b)下自旋通道中 β-Fe2(PO4)O化合物的电子电导率（左轴）和（右轴）。绿色阴影为交织磁性的Z3节线网泛起的区域。
老哥俱乐部物理学院的余智明教授和河北工业大学的张小明教授为论文的配合通讯作者、何婷丽博士后和黎磊博士后为论文的配合第一作者。该事情获得国家自然科学基金和中国博士后基金等项目的鼎力大举支持。
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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