寧波材料所在磁控電子結構領域取得新進展
施加外磁場可以調控磁性材料的電極化、光偏振、溫度、幾何形狀等宏觀物性，即實現(xiàn)磁電、磁光、磁熱、磁彈等效應。這些效應是構成磁性功能器件如磁探測儀、磁光克爾儀、磁制冷機等的物理基礎?？紤]到材料的宏觀物性與微觀電子結構存在密切關系，最直觀的想法是通過磁場直接調控電子能帶結構，從而改變材料的電學及光學等特性。在外磁場的作用下，原本簡并的電子自旋態(tài)會產(chǎn)生塞曼能級劈裂。然而這是一個微小的能量量級，如1特斯拉的巨大磁場（約地磁場的三萬倍）只能產(chǎn)生
的微小能級劈裂，遠小于室溫下的熱漲落
，因此無法用于器件設計及應用。
近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所鐘志誠研究員團隊和荷蘭特文特大學廖昭亮博士合作，提出了一種新型的磁控電子結構效應：通過外磁場調控磁化方向，借助自旋軌道耦合，實現(xiàn)電子能帶結構的巨大改變。理論預測該效應中外磁場對電子能帶結構的能量調控可以高達
，比經(jīng)典的塞曼效應大了3個數(shù)量級，高于室溫下的熱漲落，可用于設計新型的磁電、磁光器件。
研究人員首先采用模型分析，發(fā)現(xiàn)在具有低對稱性、強自旋軌道耦合和長程鐵磁序的材料中，通過施加外磁場改變磁化方向，借助自旋軌道耦合，可以實現(xiàn)能帶結構的巨大改變（如圖1所示）。但困難在于一直缺乏滿足以上條件的材料體系，直到最近發(fā)現(xiàn)了能完美符合以上條件的二維鐵磁材料。研究人員以二維鐵磁材料CrI3為例，采用第一性原理計算，預測該材料具有巨大的磁控電子結構效應（如圖2所示）。當磁化方向從面外調控到面內時，電子能帶結構會從直接帶隙轉變?yōu)殚g接帶隙，費米面也會發(fā)生變化（如圖3所示）。此外，磁化方向的改變還可以驅動拓撲相變。這些顯著的能帶變化會改變光學、電輸運性質。例如，可以利用磁場調控磁化方向控制熒光效應。另外，費米面的變化會誘導出巨大的各向異性磁阻，拓撲相變會改變材料的表面態(tài)的拓撲特性（如圖4所示）。這些理論預言的功能性質的變化未來可以通過進一步的實驗證實。
綜上所述，該工作提出了一種全新的磁控電子結構效應，即通過施加外磁場改變磁化方向，實現(xiàn)對能帶結構的巨大改變，進而調控一系列相關的電子特性。利用該效應，可以制備出新型的自旋電子器件及磁電、磁光器件。此外，該效應需要滿足低對稱性、強自旋軌道耦合、長程鐵磁序三個條件，基于以上條件進行搜尋，有望發(fā)現(xiàn)更多具有磁控電子結構效應的材料體系。
上述工作于2018年5月22日以“Spin Direction-Controlled Electronic Band Structure in Two-Dimensional Ferromagnetic CrI3”為題發(fā)表在Nano Letters (Nano Lett. 2018, 18, 3844-3849)期刊 (論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01125)。寧波材料所的蔣沛恒博士和李磊博士為該論文的共同一作，寧波材料所鐘志誠研究員和荷蘭特文特大學廖昭亮博士為共同通訊作者，南京大學的趙宇心教授參與拓撲部分的討論。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2017YFA0303602）、國家自然科學基金（11774360）及寧波市3315創(chuàng)新團隊的支持，所有的數(shù)值計算都在寧波材料所超算中心進行。
（磁材事業(yè)部 蔣沛恒、鐘志誠）