近日，永利物理系/钱伟长学院任伟教授团队在二维多铁性量子材料研究领域取得重要进展，利用第一性原理计算研究了一类层状过渡金属钒卤化物的自旋手性驱动铁电极化。研究成果发表在国际著名期刊《Physical Review Letters》上，论文题目为“Spin-Chirality-Driven Multiferroicity in van der Waals Monolayers”，永利为第一单位，通讯作者为任伟教授，合作者为意大利国家研究会（CNR-SPIN）超导及创新材料与器件研究所的Silvia Picozzi研究员。yl6809永利物理系博士研究生刘超为论文第一作者（现为中国科学技术大学杨金龙院士团队博士后）。
多铁性量子材料同时具有铁电极化和磁有序的性质，并且能展现出磁电耦合效应，不仅可以用来研究全新的基础量子物理现象，还能将其应用于前景广泛的多功能电子器件中，二维层状化合物由于层间较弱的范德华相互作用，可以用于制备自立的单分子层和复杂二维异质结构，突破传统三维材料中常见的晶格失配和原子相互扩散等限制，在微电子学领域也引起了广泛关注。因此，国际研究前沿领域当前正探索在二维层状化合物中实现铁电与磁性相互耦合的目标。
本工作中利用第一性原理计算，研究了过渡金属钒的卤化物VX2（X = Cl、Br、I）单层作为一类自旋手性驱动的范德华多铁材料。其磁性原子为三角格子的排列方式，磁基态为120度自旋阻挫的构型，由于自旋相互作用打破空间反演对称性会产生铁电极化，可通过改变自旋手性控制铁电极化的反转。因而在施加垂直于单层的电场的情况下，一种自旋手性可以比另一种自旋手性构型稳定，从而实现自旋构型的电控制。研究发现极化方向始终垂直于自旋螺旋的平面，因此也可以通过控制自旋方向来调节极化方向。此外，通过广义自旋流理论，该工作表明铁电极化主要源于第一最近邻的磁电相互作用，利用自旋流模型计算出磁电相互作用矩阵，得到的极化强度与现代极化理论的结果相当。研究还发现卤化钒中的磁电相互作用受到晶格常数和原子距离的显著影响，因此原则上能使弱自旋轨道耦合的系统表现出更强的磁电耦合作用。此外，虽然这三种化合物显示层间反铁磁耦合，但并不改变每层的自旋手性排列，因此在其三维块体中也能发现自旋诱导的电极化。最后，该工作预测了显著的自旋驱动离子位移，能够获得更大的较为实用的极化强度。本研究通过理论展示卤化钒奇特的磁电耦合将有望促进下一代磁电器件的发展进步。
本工作得到了国家自然科学基金重点及面上项目、上海市科学技术委员会优秀学术带头人项目、永利上海市科学与工程计算专业技术服务平台和永利量子科技研究院的支持。
论文链接：
Spin-Chirality-Driven Multiferroicity in van der Waals Monolayers, Chao Liu, Wei Ren, and Silvia Picozzi, Phys. Rev. Lett. 132, 086802, 2024.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.086802
延伸阅读：
Magnetoelectric Coupling in Multiferroic Bilayer VS2, X Liu, AP Pyatakov, W Ren, Physical Review Letters 125, 247601, 2020.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.247601
Multipiezo Effect in Altermagnetic V2SeTeO Monolayer, Y Zhu, T Chen, Y Li, L Qiao, X Ma, C Liu, T Hu, H Gao, W Ren, Nano Letters 24, 472, 2024.
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.3c04330
