永利量子与分子结构国际中心（ICQMS）、物理系任伟教授团队在二维材料的多铁物理研究上取得重要进展，该成果通过基于量子力学第一原理的密度泛函理论计算提出了一种实现二维多铁材料磁电耦合效应新的物理机制。论文以“Magnetoelectric coupling in multiferroic bilayer VS2”为题发表于物理顶级学术期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)。
图1 双层1T’相WTe2铁电反转路径及差分电荷密度图
图2 二维多铁材料双层VS2在外场下的多态调控
图3 层间距与外电场对体系总磁矩的调控
随着二维铁磁、铁电材料在实验室中制备出的样品被确认发现，国内外学术界迅速掀起了相关领域科学研究的热潮。铁磁、铁电性质对于丰富二维材料功能、开发基于二维材料的电子信息器件具有重要的意义。虽然有多个理论工作预言磁性和铁电性能够共存于二维材料中，但是二者相互独立、缺乏本征的磁电耦合。博士生刘新根在任伟教授的指导下研究了双层WTe2相对滑移导致的奇特铁电（Nanoscale, 2019, 11(40):18575-18581）。从微观上讲，铁电极化来源于层间未补偿的电荷转移，而且通过平面内的层间相对位移可以实现平面外的垂直方向极化矢量的双稳态反转。
在澄清了滑移铁电机理的基础上，课题组探索了具有铁磁性和铁谷性的VS2，以及体系同时具有的铁电性，发现在双层VS2中铁电性和磁性可以通过铁谷性耦合在一起，实现电控磁性。同时，发现体系总的净磁矩与层间距有重要联系，在不同的层间距情况下，可以实现远高于已知材料的线性或二阶非线性磁电耦合效应。这种新的物理机制还可以推广到其他的二维铁电-反铁磁-铁谷体系中，对理解并操纵电子电荷、自旋、能谷自由度的相互作用具有深远意义。
该系列工作由任伟教授课题组独立完成，永利为第一单位，博士生刘新根为论文的第一作者。该研究成果得到了国家自然科学基金-金砖国家科技创新框架计划合作研究项目No. 51861145315、国际合作项目No. 51911530124、面上项目No. 51672171和No. 12074241的支持。
论文链接：
Phys. Rev. Lett. 125, 247601 (2020).
Magnetoelectric Coupling in Multiferroic Bilayer VS2
Xingen Liu, Alexander P. Pyatakov, and Wei Ren*
https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.125.247601
Nanoscale, 2019, 11, 18575-18581
Vertical ferroelectric switching by in-plane sliding of two-dimensional bilayer WTe2
Xingen Liu, Yali Yang, Tao Hu, Guodong Zhao, Chen Chen and Wei Ren*
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2019/nr/c9nr05404a
