科研进展 | 本实验室罗鑫教授课题组在新型铁谷-铁电耦合的研究方面取得重要进展

      在二维六方晶格的铁磁材料中，当时间反演和空间反演对称性被打破时，材料将呈现出外场可调的自发谷极化，因此在磁性过渡金属二硫化物中，谷电子学的研究得到了极大的促进。多铁性材料具有铁电性(FE)、铁磁性(FM)、铁弹性和铁谷(FV)等不同组合的耦合特性，近年来因其良好的物理性质和潜在的应用前景而引起了人们的极大兴趣。然而，在过去的几十年里，二维铁电和二维铁谷材料的实际应用受到了它们的稀缺性的极大限制。同时，调控方法的缺乏也阻碍了研究人员对其潜在应用的探索。近年来，滑移铁电(Sliding ferroelectricity, SFE)的提出为二维范德华(vdW)材料的多铁性探究提出了一种新的可能。

      beat365中国唯一官方网站、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃团队罗鑫课题组通过第一性原理计算的方法，提出利用应变工程来控制SFE双层2H-VX₂ (X=S, Se, Te)中的自旋谷耦合。作者首先分析了R堆叠下三个能量极值点处的铁电极化情况，发现只有在垂直方向镜面对称性破缺的情况(AB和BA)下，VX₂中才会存在自发的SFE极化。

图1 双层R堆叠下VX₂中的铁电性

      其次，在R堆叠的双层VX₂中，作者将滑动铁电性和反铁磁性结合在一起构建了四个多铁态（如图2所示），其中自旋极化和谷极化通过层数相关的自旋极化能带结构耦合在一起，四个多铁态之间可以通过外加电、磁场的方式来回切换。作者也给出了AB和BA两种堆叠方式下材料的贝里曲率分布(如图2c和f所示)，为材料中的反常谷霍尔效应研究提供了参考。

图2 双层R堆叠VSe₂中的四态切换

      此外，该研究表明，轻微的静水压会引起双层VX₂ (X = Se, Te)中层间反铁磁（AFM）到铁磁（FM）耦合的转变(图3d)，显著影响自旋和谷自由度之间的耦合。由于层间AFM和FM耦合将对应不同的谷极化状态，因此，可以通过简单的应变场替代磁场来有效切换层间耦合状态，实现谷极化状态的切换。

      为了理解这些多铁系统中不同自由度之间的耦合，作者提出了k·p模型揭示了层间滑动产生的电极化与K₊和K_-谷最大价带能差之间的线性关系（图3b）。同时提供了一种方法来测量SFE体中的铁电极化。基于应变、自旋、谷和电极化之间的强耦合，有可能利用应变来控制2H-VX₂物性，产生净自旋电流。

图3 层间滑移及垂直应变操作下VSe₂中铁电、铁谷、铁磁性质的变化