完全自旋极化的外尔节线半金属

发布网友 发布时间：2024-10-24 13:13

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热心网友 时间：2024-11-12 08:30

在凝聚态物理领域，拓扑金属和拓扑半金属是研究热点。它们的费米面附近电子结构中出现的非平庸能带交叉，赋予了电子奇异性质。这些能带交叉可以形成一维节线或二维节面。以往研究主要集中在非磁性材料中的节线态，而磁性材料中的研究相对较少。一个科学问题自然浮现：是否存在自旋极化的外尔节线材料，尤其是完全自旋极化的铁磁材料？

北航-新科大联合研究团队通过第一性原理计算，首次预言了一种完全自旋极化的外尔节线半金属——Li3(FeO3)2。该材料有以下特征：费米能附近出现了两种完全自旋极化的节线环，一种为type-I节线环，能带交叉全部为type-I色散；另一种为杂化型节线环，能带交叉同时包含type-I和type-II色散。表面态上出现了两条完全自旋极化的“鼓膜态”，对应于两个节线环。

这种具有完全自旋极化的“鼓膜态”的铁磁自旋半金属，在自旋电子学和信息存储领域具有潜在的应用前景。下面详细解释这一发现。

首先，让我们了解一下Li3(FeO3)2的晶体结构。该材料属于正交晶系，空间群是34号，由锂原子、铁原子和氧原子构成。铁原子处于八个氧原子构成的八面体晶体场中心，锂原子的介入确保了电中性。晶体结构中存在两个非简单空间群的对称操作，有助于理解其电子性质。

在探究电子结构之前，需要确定体系的磁构型。Li3(FeO3)2中的铁原子具有非零磁矩，通过第一性原理计算，研究团队发现FM[111]态的能量最低，表明体系的基态为铁磁态，磁矩方向为[111]方向。

接下来，研究团队计算了Li3(FeO3)2的电子能带结构。结果显示，该材料呈现出自旋半金属特性：一个自旋通道为金属，另一个自旋通道为绝缘体。费米能附近完全由自旋向上的态占据，自旋向下的态形成1.35 eV的能隙。通过详细分析，发现了两个关键特征：在高对称线上的能带为二重简并，且受到晶体滑移镜面对称性保护；在Γ-Y、Γ-Z、R-U以及R-S处出现线*叉的外尔点，形成两个节线环，分别为以Γ为中心的L1环和以R为中心的L2环。其中，L1环为杂化型，包含type-I和type-II外尔点；L2环全部由type-I外尔点组成。

图3和图4展示了Li3(FeO3)2能带结构和费米能附近的能带图，揭示了其自旋极化的节线环性质。图5展示了完全自旋极化的节线环的示意图，进一步证实了这一发现。

研究团队还计算了Li3(FeO3)2的表面态，发现每个外尔节线环都能产生完全自旋极化的“鼓膜态”。这为利用该材料在自旋电子学和信息存储领域的应用提供了可能。

在讨论部分，研究团队分析了不同Hubbard U值（Fe 3d电子的常用值）对能带结构的影响，以及自旋轨道耦合（SOC）对体系的影响。结果表明，即使在不同的U值和考虑SOC的情况下，Li3(FeO3)2仍然保持了自旋半金属特性以及外尔节线结构。

总之，Li3(FeO3)2的发现为探索自旋极化的外尔节线材料提供了新的方向，其独特的物理性质有望在自旋电子学和信息存储等领域发挥重要作用。对这一研究成果感兴趣的读者可阅读原文，了解更多详细信息。