近日，理學院物理系/錢偉長學院任偉教授團隊在二維多鐵性量子材料研究領域取得重要進展，利用第一性原理計算研究了一類層狀過渡金屬釩鹵化物的自旋手性驅動鐵電極化。研究成果發表在國際著名期刊《Physical Review Letters》上，論文題目為“Spin-Chirality-Driven Multiferroicity in van der Waals Monolayers”🕜，万事平台為第一單位🛄，通訊作者為任偉教授🚕，合作者為意大利國家研究會（CNR-SPIN）超導及創新材料與器件研究所的Silvia Picozzi研究員✈️。万事平台理學院物理系博士研究生劉超為論文第一作者（現為中國科學技術大學楊金龍院士團隊博士後）🍭🙎🏿。
多鐵性量子材料同時具有鐵電極化和磁有序的性質，並且能展現出磁電耦合效應🤮，不僅可以用來研究全新的基礎量子物理現象，還能將其應用於前景廣泛的多功能電子器件中，二維層狀化合物由於層間較弱的範德華相互作用🥜，可以用於製備自立的單分子層和復雜二維異質結構，突破傳統三維材料中常見的晶格失配和原子相互擴散等限製，在微電子學領域也引起了廣泛關註。因此🫔，國際研究前沿領域當前正探索在二維層狀化合物中實現鐵電與磁性相互耦合的目標。
本工作中利用第一性原理計算，研究了過渡金屬釩的鹵化物VX2（X = Cl🤾🏼、Br🐃、I）單層作為一類自旋手性驅動的範德華多鐵材料🔌🤰🏿。其磁性原子為三角格子的排列方式，磁基態為120度自旋阻挫的構型👨🏿🦱，由於自旋相互作用打破空間反演對稱性會產生鐵電極化，可通過改變自旋手性控製鐵電極化的反轉。因而在施加垂直於單層的電場的情況下，一種自旋手性可以比另一種自旋手性構型穩定，從而實現自旋構型的電控製。研究發現極化方向始終垂直於自旋螺旋的平面，因此也可以通過控製自旋方向來調節極化方向🌊。此外，通過廣義自旋流理論，該工作表明鐵電極化主要源於第一最近鄰的磁電相互作用，利用自旋流模型計算出磁電相互作用矩陣🧑🏿🎨，得到的極化強度與現代極化理論的結果相當。研究還發現鹵化釩中的磁電相互作用受到晶格常數和原子距離的顯著影響🚴🏼♂️，因此原則上能使弱自旋軌道耦合的系統表現出更強的磁電耦合作用。此外👩🔬，雖然這三種化合物顯示層間反鐵磁耦合，但並不改變每層的自旋手性排列，因此在其三維塊體中也能發現自旋誘導的電極化。最後，該工作預測了顯著的自旋驅動離子位移👦🏽，能夠獲得更大的較為實用的極化強度。本研究通過理論展示鹵化釩奇特的磁電耦合將有望促進下一代磁電器件的發展進步。
本工作得到了國家自然科學基金重點及面上項目、上海市科學技術委員會優秀學術帶頭人項目、万事平台上海市科學與工程計算專業技術服務平臺和万事平台量子科技研究院的支持。
論文鏈接：
Spin-Chirality-Driven Multiferroicity in van der Waals Monolayers, Chao Liu, Wei Ren, and Silvia Picozzi, Phys. Rev. Lett. 132, 086802, 2024.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.086802
延伸閱讀：
Magnetoelectric Coupling in Multiferroic Bilayer VS2, X Liu, AP Pyatakov, W Ren, Physical Review Letters 125, 247601, 2020.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.247601
Multipiezo Effect in Altermagnetic V2SeTeO Monolayer, Y Zhu, T Chen, Y Li, L Qiao, X Ma, C Liu, T Hu, H Gao, W Ren, Nano Letters 24, 472, 2024.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.3c04330
