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交替磁体中的平坦费米面实现量子极限自旋电流
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交替磁体中的平坦费米面实现量子极限自旋电流 自旋电子器件的关键特征在于其利用自旋电流传递动量的能力，从而实现低能耗、高速度的存储与逻辑信号控制。这类器件通常通过电流和电场进行操控。电荷—自旋转换效率（CSE）是评估其性能的关键指标。 近日，中国科学院金属研究所（IMR）的科学家提出了自旋劈裂力矩（SST）与费米面几何之间的一种全新深层关联，并在具有平坦费米面的体系中实现了100%的量子极限。这一成果于12月16日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。 传统自旋电子机制的局限性 传统自旋电子器件通常通过两种主要机制在电流或电场作用下实现调控。自旋转移力矩（STT）能够实现自旋操控，但受限于自旋散射；自旋轨道力矩（SOT）机制可以产生横向信号，但由于自旋扩散长度较短，在传播过程中自旋电流会迅速衰减，从而限制了自旋角动量的注入效率。 与不产生自旋电流的传统反铁磁体不同，交替磁体中的自旋劈裂源于磁有序本身，而非相对论性的自旋—轨道耦合。这一本征特性天然支持较长的自旋扩散长度。随着体系中自旋各向异性劈裂的增强，一种时间反演奇（T-odd）的自旋电流随之出现，从而产生有限的CSE。当出现平坦的费米面几何时，d 波自旋各向异性可实现 T-odd CSE 的量子极限。 d 波交替磁体 KV₂O₂Se 中的发现 受模型分析的启发，研究人员对室温 d 波交替磁体 KV₂O₂Se 进行了理论计算。结果显示，该材料沿 kz 方向几乎不存在色散，呈现出近乎平坦的费米面。此外，两组相互垂直的费米面分别被相反自旋的能带占据。这与理论模型中揭示的情形高度一致，表明其具有实现极高 CSE 的潜力。 实际计算表明，该材料能够沿 [110] 和 [100] 方向产生横向和纵向自旋电流。在电荷中性点处，CSE 可达到 78%；在轻微电子掺杂条件下，最高可达 98%。研究人员还发现，KV₂O₂Se 中的高 CSE 对温度和缺陷效应具有很强的鲁棒性。 对未来自旋电子应用的意义 与已报道的 T-odd 自旋电流材料进行全面比较后发现，KV₂O₂Se 是极具前景的应用候选材料。在电荷中性点处，其 CSE 明显高于其他交替磁体，甚至比著名材料 RuO₂ 高出一倍，创下了 T-odd CSE 效率的新纪录。此外，KV₂O₂Se 在横向和纵向方向上的自旋电导率均达到 3.2×10⁴ (ħ/2e)（S/cm），其电流密度也超过了大多数本征磁性材料。 该研究提出了一种全新的策略——“费米面几何工程”，用于将材料的自旋相关性质调控至量子极限，并给出了具有应用前景的候选材料。 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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