11月14日，国际权威期刊Advanced Functional Materials在线发表了物理学院高国营课题组题为"Electric-Field- and Stacking-Tuned Antiferromagnetic FeClF Bilayer: The Coexistence of Bipolar Magnetic Semiconductor and Anomalous Valley Hall Effect"(电场和堆叠可调的反铁磁双层FeClF：共存的双极磁性半导体和反常谷霍尔效应)的研究论文。华中科技大学为唯一单位，物理学院2024级博士生张龙为第一作者，高国营副教授为唯一通讯作者，2023级博士生刘钰琪参与了该工作，吴梦昊教授对该研究进行了有益讨论。
谷是电荷和自旋之外新兴的载流子自由度，基于空间和时间反演对称性破缺的铁谷性(ferrovalley)为信息编码、传输和存储拓展了新途径。双极磁性半导体在栅极电压下可以提供完全自旋极化的电流。二维两面神(Janus)体系具有空间镜像和翻转对称性破缺结构，为谷自旋电子学应用提供了广阔平台。该研究以实验上的单、双层FeCl2以及理论预测的单层FeClF为基础，系统探究了在电场作用下不同堆叠序的双层FeClF的谷自旋电子特性。
图1: (a-c)不同堆叠的FeClF双层结构；(d)层间反铁磁层内铁磁的双层体系；(e)布里渊区高对称点路径；(f)可逆自旋场效应晶体管示意图；(g, h)可逆电场作用下，不同堆叠的自旋和层分辨的反铁磁半导体和双极磁性半导体。
研究发现,不同堆叠的双层FeClF (图1)均具有结构稳定性,呈现典型的层内铁磁而层间反铁磁耦合。A堆叠具有面外易磁化轴、双极磁性半导体特征、自发谷极化和反常谷霍尔效应，而B和C堆叠具有面内易磁化轴和反铁磁半导体特征。电场可以可逆地调控双极磁性半导体和反铁磁半导体之间的转变,并操控A堆积谷极化的打开和关闭(图2)。显著的谷劈裂数值(~108 meV)适用于室温的反常谷霍尔效应和谷操控的实际应用。该工作揭示了可逆电场调控和堆叠依赖的二维Janus家族的谷自旋电子特性，提供了堆叠和可逆电场对谷自旋电子的调控策略,为二维Janus家族的理论和实验的设计开拓潜在视角。据悉，该课题组之前在载流子掺杂和应变调控二维磁各向异性、磁转变温度和自旋极化率[2D Mater. 10, 045005 (2023); Appl. Phys. Lett. 123, 192407 (2023)]，以及层数依赖的隧道结和多铁隧道结的输运性质研究[Appl. Phys. Lett. 123, 052401 (2023); Phys. Rev. B 109, 085433 (2024)]也取得了进展。
图2:(a)谷劈裂的可逆外电场开关，(b-e)电场操控的反常谷霍尔效应。
该研究得到了国家自然科学基金面上项目(No.12174127)的资助。
论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202417857
