英文原题：Multiple Valley Modulations in Noncollinear Antiferromagnets
通讯作者：李晓，南京师范大学
作者：Zhichao Zhou（周智超）, Huiqian Wang（王慧谦）
背景介绍
能谷是一种崭新的电子自由度，因其在信息技术领域有着广泛的应用前景，近来受到了大量的关注。在能谷电子学中，能带结构中的能谷劈裂对实现静态能谷极化和利用能谷自由度至关重要。近年来，大量具有显著能谷劈裂的二维材料体系被相继提出，包括能谷材料和磁性衬底构成的异质结构、具有本征磁性的铁谷材料。在这些材料中，能谷劈裂总是依赖于能谷与共线铁磁序或共线反铁磁序的耦合，其中磁交换相互作用和自旋轨道耦合都是不可或缺的。然而除了上述机制，新的能谷-磁序耦合模式非常稀少。因此，为了充分利用能谷和自旋自由度，急需寻找新的耦合机制和相应的材料实现。
非共线磁序很可能为能谷电子学的发展提供新的机会。非共线磁序也是当前凝聚态物理研究的一个前沿热点。它展示出很多有趣的物理性质，比如标量和矢量的自旋手性、反常和拓扑霍尔态、反常能斯特效应、动量依赖的自旋劈裂、电荷密度波、自旋冰态和拓扑超导电性等。非共线磁序也具有较好的材料基础，出现在大量的材料体系中。此外，非共线反铁磁体的电子能带中也可能存在能谷结构和相关的物理性质。然而与共线磁序相比，非共线反铁磁序中能谷物理的研究非常有限，该方向存在许多有趣的问题亟待探索。
文章亮点
在该项工作中，通过自旋群和磁群相关的对称性分析，作者发现在不考虑自旋轨道耦合时，共线磁序不能打破保护能谷简并的自旋群对称性和产生能谷劈裂。但是，非共线磁序可以打破该自旋群对称性，也可以借助自旋轨道耦合打破相应的磁群对称性，进而有望实现多重的能谷调制。在对称性分析的基础上，作者借助紧束缚模型研究了具有非共线磁序的二维呼吸笼目晶格。研究发现对于面内非共线反铁磁序，该晶格的能带结构中存在两个简并的不等价的能谷。它们能展现出能谷对比的贝里曲率和实现自旋-能谷相关的反常霍尔效应。进一步，将面内磁矩向面外方向倾斜可以打破自旋群对称性，在没有自旋-轨道耦合的情况下破除能谷简并，这有别于先前能谷与共线磁序的耦合模式。而当考虑自旋-轨道耦合时，即使面内非共线反磁序也可以实现可观的能谷劈裂。更多地，作为实验可调的参数，磁矩的倾斜角和方位角的变化能实现能谷劈裂大小的连续调节和符号的翻转。最后，借助第一性原理计算，作者提出了一个同时具有非共线磁化和能谷自由度的备选材料—硅烯和Fe3C6O6构成的二维异质结。通过改变面内磁化方向，其确实展示出可调节的能谷劈裂，这与紧束缚模型的结果一致。
图1. 具有非共线反铁磁序的二维呼吸笼目晶格示意图
图2. 共面非共线反铁磁序笼目晶格的电子结构
图3. 自旋向面外倾斜和引入自旋轨道耦合所诱导的能谷劈裂
图4. Fe3C6O6-硅烯-Fe3C6O6异质结的晶体结构
图5. Fe3C6O6-硅烯-Fe3C6O6异质结的电子能带性质
总结/展望
该项研究表明非共线磁序能充分利用自旋和能谷自由度，实现能谷结构的多重调控，相关的能谷调控机制有别于共线磁序。这一理论工作拓宽了磁性能谷材料的选择范围，为设计先进的电子器件提供了理论指导。
相关论文发表在Nano Letters上，南京师范大学周智超老师和李晓教授分别为文章的第一作者和通讯作者。
通讯作者信息：
李晓 南京师范大学
李晓，南京师范大学物理科学与技术学院教授，江苏省特聘教授。主要从事凝聚态材料物理性质的数值模拟和理论研究。在能谷电子学、磁电耦合和拓扑材料等方面完成了一系列原创性工作，撰写学术论文四十余篇，发表在PNAS, Nature Materials, Science Advances, Nano Letters, Physical Review B等国际主流学术期刊。
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Nano Lett. 2024, 24, 37, 11497–11503
Publication Date: September 4, 2024
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02849
Copyright © 2024 American Chemical Society
Editor-in-Chief
Teri W. Odom
Northwestern University
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