Phys. Rev. Lett.：氟化锰的自旋极化多重狄拉克环的第一性原理预测

【引言】

自旋电流在信息传播领域显示出比经典电流更优异的性能，速度快且能量消耗可忽略不计。因此，自旋电流在过去几十年中引起了极大的关注，自旋电子技术迅速发展。迄今为止，已经研发出了许多自旋电子学材料。但若想发挥自旋电子在信号传送和存储方面的全部潜力，仍然有一些基本问题亟待解决，譬如长距离自旋传输以及自旋极化电流的产生和导入。除此之外，新一代自旋电子材料的巨大挑战是如何使得电子同时满足超高速传输和超低能耗这两个要求。这就需要通过发现狄拉克频带色散来实现质量极小的电子，并通过产生大量的费米能级附近的自旋极化来实现能耗极低的自旋传输。

【成果简介】

近日，澳大利亚昆士兰科技大学的Aijun Du在Phys. Rev. Lett.上发表了题为“First-Principles Prediction of Spin-Polarized Multiple Dirac Rings in Manganese Fluoride ”的文章。在这篇文章中，作者利用第一性原理计算，将已通过实验合成的氟化锰（MnF₃）作为新型自旋极化狄拉克材料来研究。MnF₃在一个自旋方向中表现出多个狄拉克锥，而在其它自旋通道上与大的带隙半导体相似。每个锥体的预测费米速度与石墨烯中的费米速度在同一数量级上。其三维带结构进一步表明了MnF₃在布里渊区具有狄拉克节点环。这种自旋极化多重狄拉克环特征首先在实验合成的材料中被发现。紧接着，在其它过渡金属氟化物（如CoF₃、CrF₃、FeF₃）中也可以发现类似的带分散体。在这项工作中，主要研究了一种新的单自旋狄拉克材料，有望在自旋电子学和信息技术方面得到有效的应用。

【图文导读】

图一：MnF₃的晶体结构和磁荷密度

(a) MnF₃的晶体结构。

(b) MnF₃的磁荷密度。

图二：使用PBE和HSE06方法计算的MnF₃的能带结构

(a、b) 使用PBE方法计算的MnF₃的能带结构。(a)中狄拉克锥由不同的数字区分，狄拉克式的交叉点由黑色方块标出。(b)中插图表示对应的布里渊区。

(c、d) 使用HSE06方法计算的MnF₃的能带结构。(c)中示出了在高对称k点处所研究能带的不可约表示，两个特定能带被标记为L_i（i = 1,2）。费米能级设为零。

图三：3D能带图

(a) M-K-Γ平面中MnF₃的3D能带图。

(b) VBM的3D能带视图及其对应的投影。

图四：MnF3的TDOS和PDOS  

(a、b) 通过HSE06计算得到，MnF3的TDOS和PDOS。

【小结】

这篇文章介绍了在电子结构中显示出自旋极化多重狄拉克锥或环的实验合成材料的首例。MnF₃架起了狄拉克材料和自旋电子学之间的桥梁，同时展现了许多独特的性能，如多个狄拉克环、大自旋极化和高载流子迁移率。此外，MnF₃的性质是材料固有的，不需要任何外部条件。此文章报道的MnF₃结构满足高效自旋电子学的要求，并且MnF₃中自旋极化电子和空穴的速度应比先前报道的自旋电子材料快得多。这项工作有望为自旋极化狄拉克材料大家族添加新成员，同时促进了自旋电子学的发展。

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

本文由材料人编辑部计算材料组daoke供稿，材料牛整理编辑。

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