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我校信息科学技术学院童文旖在《自然通讯》发表研究成果


发布时间:2017-01-03

  我校信息科学技术学院博士生童文旖在导师段纯刚和南京大学教授万贤纲合作指导下引入铁性家族的又一成员——铁谷性,相关的研究成果以“Concepts of Ferrovalley Material and Anomalous Valley Hall Effect(铁谷体及其反常谷霍尔效应)”为题发表在最近的Nature子刊《自然通讯》(Nature Communications)上。该项研究获得了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、华东师范大学优秀博士学位论文培育项目等的资助,计算平台是华东师范大学超算中心。

  众所周知,电子具有电荷和自旋两种自由度。传统的微电子学主要利用了电子的电荷自由度,并发展出今天的超大规模集成电路;而当代的自旋电子学则以电子的自旋自由度为研究对象,在进一步提高信息处理速度和存储密度方面发挥了引领作用。毫无疑问,探索出新的电子自由度对下一代新型信息存储器件的制备乃至未来信息产业的发展都具有重要意义。

基于铁谷体中的反常谷霍尔效应实现信息存储的器件模型。该器件利用磁场翻转谷极化的极性实现信息的写入,通过判断霍尔电压的正负进行信息读取。铁谷体中自发的谷极化特性,使得该器件断电后信息不会丢失,对推动下一代非易失性内存的发展具有重要的意义。

  正是基于这样的背景,近年来以研究固体布洛赫电子的能谷为核心的“谷电子学”(valleytronics)引起了广泛的关注。能谷一般指布洛赫电子能带的极值点处。如果材料中存在一系列具有稳定能态的能谷,原则上这些能谷就可以作为新型的自由度用于实现信息编码和数据操作。将能谷作为量子自由度加以应用的关键在于打破能谷间的对称性,即实现谷的极化。力场、光场、电场、磁场等均逐步被证实能用于实现能谷间的能级退简并,从而达到谷极化。这些动态的谷极化手段虽然有着很深的物理内涵,但是并不适合应用于实际的信息存储,因为一旦外场撤去信息就会丢失,即具有所谓的易失性(volatile),这就大大限制了基于谷电子学的存储器件的应用。

  近期,基于对多铁材料体系的长期研究,极化材料与器件教育部重点实验室的研究人员敏锐地意识到:在谷电子学材料中应该存在一类具有自发谷极化的材料,而类比于传统电子学中具有自发电偶极矩的铁电体和自旋电子学中具有自发自旋极化的铁磁体,它们可被称之为铁谷体。


我校信息科学技术学院博士生童文旖和导师段纯刚教授在极化材料与器件教育部重点实验室前

  进一步地,他们从k·p模型出发,通过在体系的哈密顿量中引入新能量项以打破能谷间的时间反演对称性,并发现在单层过渡金属二硫族化合物中实现自发谷极化的关键在于自旋轨道耦合作用与内禀交换作用的并存。以此为基础,他们发现单层的2H相VSe2正是所要寻找的铁谷体。特别值得一提的是,理论预测其铁谷特性能够在室温下得以保持,这意味着铁谷半导体VSe2有机会被应用于实现室温的谷电子学器件。结合第一性原理计算及自主研发的群论分析和光学计算程序,他们的研究进一步揭示铁谷体中存在着依赖圆偏振光旋性的光学带隙,即左旋和右旋圆偏振光“看到”的材料光学带隙是不同的,这就为利用非接触的光学手段表征谷极化提供了理论依据。更有趣的是,他们发现铁谷体中会存在一种新型的霍尔效应,并将其命名为反常谷霍尔效应:在无需依赖外加磁场的情况下,霍尔电流会导致铁谷体样品的两侧同时出现电荷、自旋以及谷信息的积累。有趣的是,一旦翻转谷的极化,贝里曲率导致的电荷积累会引起霍尔电压的反号,基于此可以实现对铁谷体中谷极化信息的电学读取。

  这项研究打通了谷电子学与多铁体这两大凝聚态热门研究领域,并为铁性家族引入了一位新成员,即除了铁电性、铁磁性、铁弹性和铁涡性等,如今又出现了铁谷性。研究这些多重铁性之间的相互耦合,无疑会极大推动两大领域的进一步发展,并可能揭示出固体材料中更加深刻的物理内涵。



图|吕安琪 文、来源信息科学技术学院 编辑吕安琪








作者: | 信息来源:新闻网 | 浏览次数:2127

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