【出彩河工】材料科学与工程学院新型电子功能材料团队在Physical Review Letters上发表关于拓扑电子自旋输运的重要进展

近日，材料科学与工程学院新型电子功能材料团队与北京理工大学合作在物理类顶刊《Physical Review Letters》上发表了题为“Quasi-One-Dimensional Spin Transport in Altermagnetic Z3 Nodal Net Metals”的研究型论文（入选Editors’ Suggestion）。河北工业大学为第一完成单位，材料科学与工程学院博士生何婷丽与北京理工大学李磊博士为论文共同第一作者，张小明教授与北京理工大学余智明教授为论文共同通讯作者。

成果简介

依据传统观点，准一维（Q1D）电子输运由实空间中的强各向异性引起，通常在具有准一维（Q1D）链结构的系统中才可实现。本项工作结合交错磁性和Z3型拓扑节线，首次在不依赖于层状或链状结构的三维材料中实现Q1D自旋输运行为，并对其物理机制进行完整阐述。尤其，结合第一性原理计算和紧束缚模型给出三个具体材料实例：β-Fe2(PO4)O、Co2(PO4)O以及LiTi2O4。它们均具有交错磁性并在每个自旋通道中均表现出理想的、相互交叉的Z3拓扑节线（Z3节线网结构）。交错磁性以及Z3节线网的存在使得这些材料在每个自旋通道中表现出Q1D电子输运，并且两个Q1D自旋极化电流的主要移动方向是正交的。这项研究工作不仅扩展了对Q1D输运物理机制的理解，还为探索拓扑和磁性之间耦合的新奇物理提供了理想的平台。

图文导读：

该工作将交错磁性与Z3节线网结合超越了传统概念，实现了在三维材料中不需要层状或链状结构的准一维自旋输运。图1给出了理想Z3节线的示意图。由于理想的Z3节线和交叉 Z3 节线的费米面分别呈现圆柱形和扁平形状，因此这两种节线应表现出准二维（Q2D）和准一维（Q1D）传输特性。

图1 (a) 理想的Z3 节线（nz = 1）和 (b) 理想的交叉 Z3 节线（nx = 1, nz = 1）的示意图。从左到右的图形分别表示节线的形状、能带结构和费米面。

以磁群为（No：141.554）的实际材料β-Fe2(PO4)O为研究对象（图2），该磁群没有四度旋转对称性

、时间反演对称性

和 P

对称性，但具有

联合对称性，连接了β-Fe₂(PO₄)O 中的自旋向上通道和自旋向下通道。因此，β-Fe₂(PO₄)O 在布里渊区的任意点上将表现出自旋分裂，反映出其交错磁性特征。

图2 (a) β-Fe2(PO4)O 的单胞和 (b) 原胞。红色和蓝色箭头分别表示上自旋和下自旋的磁矩。(c) 表示布里渊区。

通过第一性原理计算发现，每个自旋通道都具有交叉的Z3节线（图3），这些节线由 kz = 0 平面中的 Z3 节线和两个 nz = 1 的 Z3 节线形成。这两个自旋极化的交叉节线在布里渊区边界相互接触，从而导致一种新颖的交错磁性 Z3 节线网结构。由于 β-Fe2(PO4)O 中的所有 Z3节线都是理想的，因此可以预期带来Q1D输运。

图3 (a) β-Fe2(PO4)O 的能带结构和投影态密度。绿色高亮区域表示 Z3 交错磁性的节线网出现的能量区间。(b) 上自旋和下自旋通道中 Z3交叉节线的形状。这两条 Z3 交叉节线形成了一个 Z3节线网。(c) 在 kz = 0 平面上，上下自旋通道的 Z3节线形状，如 (b) 中的箭头所示。

为了研究 β-Fe2(PO4)O 中 交错磁性Z3节线网独特的 Q1D 方向依赖的自旋输运特性，计算了两个自旋通道的自旋分辨纵向电子电导率如图 4 所示，每个自旋通道中的电子电导率都是各向异性的，
。更重要的是每个自旋通道中的电子电导率的各向异性在节线网（费米能级）附近极大增强，其中
（
）完全主导上自旋和下自旋中的电子输运通道。因此，在每个自旋通道中都表现出Q1D电子输运，并且两个Q1D自旋极化电流的主要移动方向是正交的。

图4在 (a) 上自旋和 (b)下自旋通道中 β-Fe2(PO4)O 化合物的电子电导率（左轴）和

（右轴）。绿色阴影为交错磁性的Z3节线网出现的区域。

原文链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.133.146602

材料来源：材料科学与工程学院

审核：夏兴川、郑士建