由分数量子铁电性与交变磁耦合产生的分数量子多铁性

M. Q. Dong; B. Liu; Z. H. Dai; Zhi-Xin Guo; Hongjun Xiang; Xin-Gao Gong

由分数量子铁电性与交变磁耦合产生的分数量子多铁性

材料科学 2025-10-21 v1

作者: M. Q. Dong , B. Liu , Z. H. Dai , Zhi-Xin Guo , Hongjun Xiang , Xin-Gao Gong

摘要

多铁性材料结合了铁电序与磁有序,为下一代电子器件提供了变革性的平台。然而,在单相材料中驱动铁电性与磁性的机制之间存在本质竞争,这严重制约了其性能,通常导致室温下磁电耦合较弱。本工作提出通过分数量子多铁性(FQMF)这一全新概念来解决这一长期挑战,其中强磁电耦合通过分数量子铁电性(FQFE)与交变磁(AM)的耦合自然实现。对称性分析表明,在宇称-时间( $\mathcal{PT}$ )或时间反演( $\mathcal{T}\tau$ )操作下,反转 FQFE 极化必然导致 AM 自旋劈裂的反转。一个最小紧束缚模型重现了该效应,展示了无需旋转 Néel 矢量即可实现电场驱动的自旋控制。第一性原理计算进一步在二维和三维中识别出一大类候选材料,包括体相 MnTe、Cr $_2$ S $_3$ 、Mn $_4$ Bi $_3$ NO $_{15}$ 以及二维 AB $_2$ 双层结构,如 MnX $_2$ (X=Cl, Br, I)、CoCl $_2$ 、CoBr $_2$ 和 FeI $_2$ 。值得注意的是,MnTe 具有高 Néel 温度( $\sim$ 300 K)和大的电场可切换自旋劈裂( $\sim$ 0.8 eV),展现出超越传统多铁性材料的室温磁电性能。为进一步展示其技术潜力,我们提出了一种基于 MnTe 的电场调控 FQMF 隧道结,其隧穿磁阻超过 300\%。本工作确立了 FQMF 作为实现室温强磁电耦合的独特且有前景的途径,为电压调控的自旋电子学开辟了新方向。

关键词

分数量子多铁性分数量子铁电性交变磁磁电耦合自旋电子学第一性原理计算隧道结

引用

@article{arxiv.2510.16733,
  title  = {Fractional Quantum Multiferroics from Coupling of Fractional Quantum Ferroelectricity and Altermagnetism},
  author = {M. Q. Dong and B. Liu and Z. H. Dai and Zhi-Xin Guo and Hongjun Xiang and Xin-Gao Gong},
  journal= {arXiv preprint arXiv:2510.16733},
  year   = {2025}
}

备注

13 pages, 4 figures

由分数量子铁电性与交变磁耦合产生的分数量子多铁性

摘要

关键词

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