【儀表網 研發快訊】二維體系中的邊緣態可以作為一種獨特的一維導電通道，在電子輸運中起著重要的作用，而具有自旋極化手性邊緣態的磁性拓撲絕緣體被認為是實現量子反?；魻栃睦硐牒蜻x者，在自旋電子學和量子計算領域有重要應用。然而，對自旋極化邊緣態的直接觀測研究仍然較為稀少，主要原因在于具有自旋極化邊緣態的理想二維體系仍然較為缺乏。二維過渡金屬鹵化物大多具有本征帶隙和磁性，利用體邊對應的方法裁剪二維過渡金屬鹵化物材料，有可能構建穩定的自旋極化邊緣態。
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF09組近年來在二維過渡金屬鹵化物的生長和表征方面取得了一系列進展，包括在CoCl2中實現本征極化子的構筑和操縱【Nat. Commun. 14, 3690 (2023)】，實現二維Ruby原子晶格Cu6Cl8的構建【Nano Lett. 24, 11075 (2024)】等。
在二維過渡金屬鹵化物家族中，NiI2被認為是第二類多鐵半導體材料，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首次在碘修飾的Au(111)表面成功合成了單層NiI2，并發現單層NiI2島由于對稱性而具有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/譜發現NiI2島具有取向選擇性的邊緣態：在Ni截止邊存在區別于臺面的一維電子態，而I截止邊則沒有。在改變自旋極化針尖狀態和外加磁場作用下，邊緣電子態的強度會發生變化，證實了自旋極化隧道電流的存在。進一步通過磁場掃描，他們實現了邊緣態在兩個自旋極化態下的切換，并表現出回滯現象。此外，他們與理論工作者合作，利用密度泛函理論計算了多種可能的磁基態結構。結果表明，這種取向選擇性的自旋極化邊緣態并未受到體系基態磁序的影響，而是由不同截止邊的本征特性決定。該研究結果不僅首次在二維磁性半導體材料中發現了自旋極化的邊緣態，更重要的是提出了一種基于原子結構取向和磁場調控自旋邊緣態的方法，為研究過渡金屬二鹵化物在二維極限下的多鐵現象和新奇量子物態提供了理想平臺。
相關工作以“Orientation-selective spin-polarized edge states in monolayer NiI2”為題發表在Nature Communications 15, 10916 (2024)。物理所博士后王宇、清華大學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的孫家濤教授為論文通訊作者。該工作的磁場實驗在物理所懷柔綜合極端條件實驗裝置上完成，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、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、中國科學院、中國博士后科學基金的資助。
圖 a, 生長所獲得的單層NiI2島。b, 在島不同截止邊獲得的微分電導譜。c, 單層NiI2島的微分電導空間分布圖。d, 高分辨的單層NiI2實驗圖和結構示意圖。 e, 正負磁場下的自旋極化隧道譜。f, dI/dV信號隨磁場的變化關系。
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