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rlafite木蟲 (正式寫手)
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交替磁體中的平坦費(fèi)米面實(shí)現(xiàn)量子極限自旋電流
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交替磁體中的平坦費(fèi)米面實(shí)現(xiàn)量子極限自旋電流 自旋電子器件的關(guān)鍵特征在于其利用自旋電流傳遞動量的能力，從而實(shí)現(xiàn)低能耗、高速度的存儲與邏輯信號控制。這類器件通常通過電流和電場進(jìn)行操控。電荷—自旋轉(zhuǎn)換效率（CSE）是評估其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。 近日，中國科學(xué)院金屬研究所（IMR）的科學(xué)家提出了自旋劈裂力矩（SST）與費(fèi)米面幾何之間的一種全新深層關(guān)聯(lián)，并在具有平坦費(fèi)米面的體系中實(shí)現(xiàn)了100%的量子極限。這一成果于12月16日發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。 傳統(tǒng)自旋電子機(jī)制的局限性 傳統(tǒng)自旋電子器件通常通過兩種主要機(jī)制在電流或電場作用下實(shí)現(xiàn)調(diào)控。自旋轉(zhuǎn)移力矩（STT）能夠?qū)崿F(xiàn)自旋操控，但受限于自旋散射；自旋軌道力矩（SOT）機(jī)制可以產(chǎn)生橫向信號，但由于自旋擴(kuò)散長度較短，在傳播過程中自旋電流會迅速衰減，從而限制了自旋角動量的注入效率。 與不產(chǎn)生自旋電流的傳統(tǒng)反鐵磁體不同，交替磁體中的自旋劈裂源于磁有序本身，而非相對論性的自旋—軌道耦合。這一本征特性天然支持較長的自旋擴(kuò)散長度。隨著體系中自旋各向異性劈裂的增強(qiáng)，一種時(shí)間反演奇（T-odd）的自旋電流隨之出現(xiàn)，從而產(chǎn)生有限的CSE。當(dāng)出現(xiàn)平坦的費(fèi)米面幾何時(shí)，d 波自旋各向異性可實(shí)現(xiàn) T-odd CSE 的量子極限。 d 波交替磁體 KV₂O₂Se 中的發(fā)現(xiàn) 受模型分析的啟發(fā)，研究人員對室溫 d 波交替磁體 KV₂O₂Se 進(jìn)行了理論計(jì)算。結(jié)果顯示，該材料沿 kz 方向幾乎不存在色散，呈現(xiàn)出近乎平坦的費(fèi)米面。此外，兩組相互垂直的費(fèi)米面分別被相反自旋的能帶占據(jù)。這與理論模型中揭示的情形高度一致，表明其具有實(shí)現(xiàn)極高 CSE 的潛力。 實(shí)際計(jì)算表明，該材料能夠沿 [110] 和 [100] 方向產(chǎn)生橫向和縱向自旋電流。在電荷中性點(diǎn)處，CSE 可達(dá)到 78%；在輕微電子摻雜條件下，最高可達(dá) 98%。研究人員還發(fā)現(xiàn)，KV₂O₂Se 中的高 CSE 對溫度和缺陷效應(yīng)具有很強(qiáng)的魯棒性。 對未來自旋電子應(yīng)用的意義 與已報(bào)道的 T-odd 自旋電流材料進(jìn)行全面比較后發(fā)現(xiàn)，KV₂O₂Se 是極具前景的應(yīng)用候選材料。在電荷中性點(diǎn)處，其 CSE 明顯高于其他交替磁體，甚至比著名材料 RuO₂ 高出一倍，創(chuàng)下了 T-odd CSE 效率的新紀(jì)錄。此外，KV₂O₂Se 在橫向和縱向方向上的自旋電導(dǎo)率均達(dá)到 3.2×10⁴ (ħ/2e)（S/cm），其電流密度也超過了大多數(shù)本征磁性材料。 該研究提出了一種全新的策略——“費(fèi)米面幾何工程”，用于將材料的自旋相關(guān)性質(zhì)調(diào)控至量子極限，并給出了具有應(yīng)用前景的候選材料。 More information: Junwen Lai et al, d-Wave Flat Fermi Surface in Altermagnets Enables Maximum Charge-to-Spin Conversion, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/bf1n-sxdl. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2506.07703 |
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