近期，物理学院戴瑛教授团队在二维晶格物性研究方面取得系列新进展，相关成果分别发表在Advanced Science、Materials Horizons期刊上。
进展一：拓扑自旋霍尔效应由非共面自旋与实空间拓扑耦合引起，是凝聚态物理中的重要现象之一。然而，其固有的鲁棒性致使其物理特性难以有效调控。这一基础性难题也使得它在当下难于在自旋电子学领域实现应用。为解决这一挑战，团队提出了一种能够有效控制TSHE的方法。通过对称性与模型分析发现，在反铁磁bimeron体系中，反铁磁拓扑电荷及作用于导电电子上的洛伦兹力，可以与Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用的手性实现耦合。这种耦合意味着TSHE可以被铁电控制。利用第一性原理计算和原子自旋模型模拟，这一机制的有效性在实验合成的二维多铁体系CuCr2Se4中得到进一步证实。该体系中可变的DM相互作用手性是实现该机制的关键。这一成果成功地将 TSHE 拓展至自旋电子学的应用范畴之中，为自旋电子学的深入研究开辟了全新的方向。相关研究成果以“Engineering topological spin Hall effect in 2D multiferroic material”为题发表在Advanced Science国际期刊上。论文第一作者为2023级博士生窦恺莹，马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
进展二：二维体系中的能谷多铁性对于能谷电子学的研究和应用具有重要意义。能谷多铁性，即单相中的铁谷性和初级铁性耦合，为反转反常能谷霍尔效应提供了一条便捷的途径。目前，该领域的研究主要集中在铁磁铁谷性，而铁电铁谷性的研究很少。使用对称性分析和构建紧束缚模型，团队提出了一种二维磁晶格中铁电性与铁谷性耦合的新机制，即单相能谷多铁性。这种机制与磁晶格的非典型呼吸性质有关。重要的是，与贝利曲率相关的能谷物理可以在铁电转变下反转，从而实现铁电可逆的反常能谷霍尔效应。基于第一性原理计算，进一步证实了二维磁性材料单层Gd2CO2中的能谷多铁性。所探索的现象和机制不仅对能谷多铁性的基础研究有意义，而且在纳米器件中具有广泛的应用前景。相关研究成果以 “Atypical breathing driven two-dimensional valley multiferroicity” 为题发表于Materials Horizons国际期刊上。论文第一作者为2023级博士生冯阳阳，马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
进展三：二维体系中的谷极化对于谷电子学的研究和应用具有重要意义。目前，该方面的研究主要建立在二维铁磁性系统的铁谷性范式上。针对这一局限性，团队提出了通过近邻效应引入塞曼场将铁谷范式扩展到二维反铁磁晶格的新机制。通过对称性分析，在低能k·p模型中引入近邻效应产生的塞曼场，诱导谷极化产生从而实现二维反铁磁系统中的铁谷性。基于第一性原理计算，团队在CrBr3封装的二维反铁磁体系MnPSe3中验证这一机制。这项工作为探索二维反铁磁材料中的能谷物理提供了有前景的平台。相关研究成果以“Ferrovalleytricity in a two-dimensional antiferromagnetic lattice”为题发表在Materials Horizons 国际期刊上。论文第一作者为2023级硕士生柴树妍，马衍东教授、戴瑛教授以及昆士兰科技大学的寇良志教授为共同通讯作者，山东大学为第一作者单位。
上述工作是团队2024年在二维晶格物性研究(Nano Lett. 2024, 24, 3507; Nano Lett. 2024, 24, 10490; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2400971; Adv. Energy Mater. 2024, 14, 2303953; Mater. Horiz., 2024, 11, 6082; Mater. Horiz. 2024, 11, 5374; Phys. Rev. B 2024, 110, 155428; Phys. Rev. B 2024, 109, 024420)系列工作方面的新进展。
以上工作得到了晶体材料国家重点实验室、国家自然科学基金、山东大学齐鲁学者计划和山东省泰山学者青年专家项目等的支持。
进展一：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202206574
进展二：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d4mh01087f/unauth
进展三：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/mh/d4mh00941j
