拓扑自旋电子材料的结构设计与机制研究

Different with magnetic materials, topological insulators and Chern insulators are classified as another spintronics which show new phenomena, which are known as their insulating bulk and conducting edge/surface states which are spin-polarized and free of back scattering. These significant characters endow such materials great potential for next-generation electric devices. However, the rapid development of topological spintronics is blocked by the low critical temperature and thermal stability. In this proposal, we will explore the possibility of developing topological spintronics with higher critical temperature based on the following studies: 1) Based on the explored mechanics, through the material design, we search the possible candidates; 2) We will study the new mechanics response for the topological spintronics; 3) We will synthesize the predicted the materials with the best potential. Based on the above research, we will provide some useful information for further applications.

拓扑绝缘体与陈绝缘体的发现极大地拓宽了自旋电子学的研究领域。区别于传统自旋电子材料，拓扑绝缘体与陈绝缘体的边界/表面电子态呈现出自旋极化的特征，且在输运过程中电子不会受到反向散射。然而，热稳定性差、临界温度低等特点阻碍了拓扑自旋电子学的快速发展及其应用。因此获得稳定性好、临界温度高的拓扑自旋电子材料就成为必须解决的关键问题之一。本项目将采用理论结合实验的方法，探索实现提高拓扑自旋电子材料稳定性、临界温度的可能性，研究内容主要分为三个方面：1) 在现有拓扑自旋材料的物理机制下，通过结构设计和搜索，寻找稳定的拓扑自旋电子材料；2) 研究新的物理机制以及其相应的新型拓扑自旋电子材料；3)在前面研究的基础上，挑选出具有较高稳定性、临界温度的材料，实验上探索其制备的可行路径。通过本项目的研究，我们将力图发现新的物理机制和稳定的拓扑自旋电子学材料，为拓扑自旋电子学的发展提供一些理论和实验支撑。

拓扑材料极大地扩展了自旋电子学的研究范围。然而发展高温拓扑自旋电子学的关键在于解决自旋拓扑材料的物理实质及自旋材料的高温化。在项目的资助下，采用密度泛函理论计算和模型研究，我们对拓扑/自旋电子学体系进行了较系统深入的研究，获得如下成果：(1) 在低维六角格子中实现了拓扑自旋序，揭示了其产生拓扑自旋序的物理机制。但是发现其临界温度较低；(2) 我们研究了在低维材料中实现室温及以上温度铁磁序的机制，发现铁磁序耦合通过两种交换途径来实现，而反铁磁序则同样具有两个途径。通过对铁磁序的交换路径进行分解，我们提出了降低交换带隙、提升间接能级和降低反铁磁耦合强度三种方法提升铁磁的稳定性；(3) 我们还研究了外电场对铁磁序的调控机制，发现在二维层面上，利用铁磁材料实现结构畸变是实现磁电耦合的理想途径之一。我们的研究结果表明，外电场通过改变铁电极化的方向，改变了铁磁耦合的交换途径，实现了对磁性的调控。通过相关研究，我们在国际期刊发表了SCI论文30余篇，其中Phys. Rev. Lett, 3篇，J. Am. Chem. Soc 2篇。项目负责人也先后获得了国家自然科学基金项目和江苏省333工程中青年学术领军人才计划资助。