單層NiI2中實(shí)現(xiàn)取向選擇的自旋極化邊緣態(tài)

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】二維體系中的邊緣態(tài)可以作為一種獨(dú)特的一維導(dǎo)電通道，在電子輸運(yùn)中起著重要的作用，而具有自旋極化手性邊緣態(tài)的磁性拓?fù)浣^緣體被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)的理想候選者，在自旋電子學(xué)和量子計(jì)算領(lǐng)域有重要應(yīng)用。然而，對(duì)自旋極化邊緣態(tài)的直接觀測(cè)研究仍然較為稀少，主要原因在于具有自旋極化邊緣態(tài)的理想二維體系仍然較為缺乏。二維過(guò)渡金屬鹵化物大多具有本征帶隙和磁性，利用體邊對(duì)應(yīng)的方法裁剪二維過(guò)渡金屬鹵化物材料，有可能構(gòu)建穩(wěn)定的自旋極化邊緣態(tài)。
 

　　中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF09組近年來(lái)在二維過(guò)渡金屬鹵化物的生長(zhǎng)和表征方面取得了一系列進(jìn)展，包括在CoCl2中實(shí)現(xiàn)本征極化子的構(gòu)筑和操縱【Nat. Commun. 14, 3690 (2023)】，實(shí)現(xiàn)二維Ruby原子晶格Cu6Cl8的構(gòu)建【Nano Lett. 24, 11075 (2024)】等。
 

　　在二維過(guò)渡金屬鹵化物家族中，NiI2被認(rèn)為是第二類多鐵半導(dǎo)體材料，研究表明其具有本征的自旋螺旋序及由其引起的鐵電極化。最近，陳嵐研究員和王宇博士等人利用分子束外延技術(shù)首次在碘修飾的Au(111)表面成功合成了單層NiI2，并發(fā)現(xiàn)單層NiI2島由于對(duì)稱性而具有Ni和I兩種不同的截止邊。利用自旋極化的掃描隧道顯微鏡/譜發(fā)現(xiàn)NiI2島具有取向選擇性的邊緣態(tài)：在Ni截止邊存在區(qū)別于臺(tái)面的一維電子態(tài)，而I截止邊則沒(méi)有。在改變自旋極化針尖狀態(tài)和外加磁場(chǎng)作用下，邊緣電子態(tài)的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，證實(shí)了自旋極化隧道電流的存在。進(jìn)一步通過(guò)磁場(chǎng)掃描，他們實(shí)現(xiàn)了邊緣態(tài)在兩個(gè)自旋極化態(tài)下的切換，并表現(xiàn)出回滯現(xiàn)象。此外，他們與理論工作者合作，利用密度泛函理論計(jì)算了多種可能的磁基態(tài)結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，這種取向選擇性的自旋極化邊緣態(tài)并未受到體系基態(tài)磁序的影響，而是由不同截止邊的本征特性決定。該研究結(jié)果不僅首次在二維磁性半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)了自旋極化的邊緣態(tài)，更重要的是提出了一種基于原子結(jié)構(gòu)取向和磁場(chǎng)調(diào)控自旋邊緣態(tài)的方法，為研究過(guò)渡金屬二鹵化物在二維極限下的多鐵現(xiàn)象和新奇量子物態(tài)提供了理想平臺(tái)。
 

　　相關(guān)工作以“Orientation-selective spin-polarized edge states in monolayer NiI2”為題發(fā)表在Nature Communications 15, 10916 (2024)。物理所博士后王宇、清華大學(xué)博士后趙鑫磊為文章共同第一作者，物理所陳嵐研究員、馮寶杰研究員和北京理工大學(xué)的孫家濤教授為論文通訊作者。該工作的磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)在物理所懷柔綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置上完成，并得到了博士生張峻銘、魏忠旭副研究員的幫助。該成果受到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)博士后科學(xué)基金的資助。
 

　　圖 a, 生長(zhǎng)所獲得的單層NiI2島。b, 在島不同截止邊獲得的微分電導(dǎo)譜。c, 單層NiI2島的微分電導(dǎo)空間分布圖。d, 高分辨的單層NiI2實(shí)驗(yàn)圖和結(jié)構(gòu)示意圖。 e, 正負(fù)磁場(chǎng)下的自旋極化隧道譜。f, dI/dV信號(hào)隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系。