Phys. Rev. Lett.：氟化錳的自旋極化多重狄拉克環的第一性原理預測

【引言】

自旋電流在信息傳播領域顯示出比經典電流更優異的性能，速度快且能量消耗可忽略不計。因此，自旋電流在過去幾十年中引起了極大的關注，自旋電子技術迅速發展。迄今為止，已經研發出了許多自旋電子學材料。但若想發揮自旋電子在信號傳送和存儲方面的全部潛力，仍然有一些基本問題亟待解決，譬如長距離自旋傳輸以及自旋極化電流的產生和導入。除此之外，新一代自旋電子材料的巨大挑戰是如何使得電子同時滿足超高速傳輸和超低能耗這兩個要求。這就需要通過發現狄拉克頻帶色散來實現質量極小的電子，并通過產生大量的費米能級附近的自旋極化來實現能耗極低的自旋傳輸。

【成果簡介】

近日，澳大利亞昆士蘭科技大學的Aijun Du在Phys. Rev. Lett.上發表了題為“First-Principles Prediction of Spin-Polarized Multiple Dirac Rings in Manganese Fluoride ”的文章。在這篇文章中，作者利用第一性原理計算，將已通過實驗合成的氟化錳（MnF₃）作為新型自旋極化狄拉克材料來研究。MnF₃在一個自旋方向中表現出多個狄拉克錐，而在其它自旋通道上與大的帶隙半導體相似。每個錐體的預測費米速度與石墨烯中的費米速度在同一數量級上。其三維帶結構進一步表明了MnF₃在布里淵區具有狄拉克節點環。這種自旋極化多重狄拉克環特征首先在實驗合成的材料中被發現。緊接著，在其它過渡金屬氟化物（如CoF₃、CrF₃、FeF₃）中也可以發現類似的帶分散體。在這項工作中，主要研究了一種新的單自旋狄拉克材料，有望在自旋電子學和信息技術方面得到有效的應用。

【圖文導讀】

圖一：MnF₃的晶體結構和磁荷密度

(a) MnF₃的晶體結構。

(b) MnF₃的磁荷密度。

圖二：使用PBE和HSE06方法計算的MnF₃的能帶結構

(a、b) 使用PBE方法計算的MnF₃的能帶結構。(a)中狄拉克錐由不同的數字區分，狄拉克式的交叉點由黑色方塊標出。(b)中插圖表示對應的布里淵區。

(c、d) 使用HSE06方法計算的MnF₃的能帶結構。(c)中示出了在高對稱k點處所研究能帶的不可約表示，兩個特定能帶被標記為L_i（i = 1,2）。費米能級設為零。

圖三：3D能帶圖

(a) M-K-Γ平面中MnF₃的3D能帶圖。

(b) VBM的3D能帶視圖及其對應的投影。

圖四：MnF3的TDOS和PDOS ?

(a、b) 通過HSE06計算得到，MnF3的TDOS和PDOS。

【小結】

這篇文章介紹了在電子結構中顯示出自旋極化多重狄拉克錐或環的實驗合成材料的首例。MnF₃架起了狄拉克材料和自旋電子學之間的橋梁，同時展現了許多獨特的性能，如多個狄拉克環、大自旋極化和高載流子遷移率。此外，MnF₃的性質是材料固有的，不需要任何外部條件。此文章報道的MnF₃結構滿足高效自旋電子學的要求，并且MnF₃中自旋極化電子和空穴的速度應比先前報道的自旋電子材料快得多。這項工作有望為自旋極化狄拉克材料大家族添加新成員，同時促進了自旋電子學的發展。

文獻鏈接：First-Principles Prediction of Spin-Polarized Multiple Dirac Rings in Manganese Fluoride（Phys. Rev. Lett. 2017，DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.016403）

本文由材料人編輯部計算材料組daoke供稿，材料牛整理編輯。

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