二维过渡金属硫族化合物中的自旋轨道转矩的计算和理论研究

Spin-orbit torque is an effective method to control magnetization by means of electricity, where charge current induces nonequilibrium spin polarization and associated torque acting on the magnetic moment under the action of the spin-orbit coupling. The effect has seen many applications in magnetization switching and domain-wall motion, and thus help to design energy-efficient magnetic functional devices. To date, the study on spin-orbit torque has largely relied on Rashba-type spin-orbit coupling and associated heterostructures. Based on the Rashba model, the nonequilibrium spin polarization, arising from the carriers on the Fermi surface, is parallel to the interface, leading to in-plane reorientation of the magnetization. It is highly desirable to realize multi-directional reorientation of the magnetization by searching for new spin-orbit torques and prototypical materials. Two-dimensional transition metal dichalcogenides, MX2, provide a powerful platform for exploring spin-orbit torque, due to their rich structural, electronic and magnetic properties. By the first principles-based numerical calculations and theoretical analyses, we will investigate the spin-orbit torques of several MX2-related structures. In particular, our attention is drawn to ferromagnetic MX2 in the 2H phase that have an Ising-type spin-orbit coupling. We will uncover new physics and associated new mechanisms of Ising-type spin-orbit torque by constructing the effective models of the ferromagnetic 2H-MX2；we will exploit the effects of the intra/inter-valley scatterings and valley-polarized current to pave the effective way for regulating the spin-orbit torque；we will elucidate the combined roles of multiple spin-orbit couplings in the spin-orbit torque. These studies will help to realize the electric control of perpendicular magnetization switching and the valley degree of freedom, and provide theoretical guidance for designing new spintronics devices.

自旋轨道转矩是一种利用电学手段调控磁性的有效方法, 其中电荷流借助自旋轨道耦合产生非平衡自旋极化和施于磁矩的力矩。它可用于翻转磁矩和推动磁畴，设计高能效的磁性功能器件。当前研究往往依赖于Rashba型自旋轨道耦合和异质结构，相应的费米面载流子的自旋极化平行于界面,导致磁矩的面内翻转。磁性的多方位调控需要探索新型自旋轨道转矩和原型材料。二维过渡金属硫族化合物，MX2，有着丰富的结构、电学和磁学性质，能为自旋轨道转矩的研究提供有力平台。本项目将借助数值计算和理论分析，研究多种MX2结构的自旋轨道转矩，特别关注拥有伊辛型自旋轨道耦合的铁磁2H相。通过构建铁磁2H-MX2的有效模型，揭示伊辛型自旋轨道转矩的新物理和新机理；寻求借助谷间谷内散射和谷极化电流调节转矩的有效途径；阐明多种自旋轨道耦合对转矩的联合作用。上述研究将有助于实现垂直磁化和谷自由度的电学控制，为设计新型自旋电子学器件提供理论指导。

电流导致的自旋极化和相联系的自旋轨道转矩是电学手段调控磁性的一个有效方法。借助自旋轨道耦合，电荷流可以转化为自旋极化流，进而能产生推动磁矩运动的自旋轨道转矩，用于设计新型的磁性功能器件。当前，电流导致的自旋极化相关的研究较多地关注于Rashba型的自旋轨道耦合和相关的异质结构。由此产生的载流子自旋极化平行于异质界面，往往只能导致磁矩的面内翻转。相较于指向面内的电流导致的自旋极化，实现面外自旋极化的材料还相对较少。磁化的垂直翻转和电子性质的调控需要探索指向面外的电流导致的自旋极化和相应的材料实现。借助第一性原理计算和理论分析，我们提出在具有铁磁序和伊辛型自旋轨道耦合的二维过渡金属双硫族化合物中可以实现指向面外的电流导致的自旋极化。以2H相的单层VSe2和VTe2为例，我们发现在面内磁化分量存在时，这类材料可以产生数值可观的指向面外的非平衡自旋极化。为了解释这一面外自旋极化产生的原因，我们构建了铁磁性过渡金属双硫族化合物单层的低能有效模型。我们发现材料本征自旋轨道耦合和面内磁序的共同作用破坏了电子结构的旋转对称性，导致了面外载流子自旋极化。我们也计算了这一非平衡自旋极化和相应的自旋轨道转矩带来的磁矩动力学过程，给出了实现磁矩面外旋转的参数范围。考虑到二维金属双硫族化合物是一类典型的谷电子材料，我们进一步揭示了谷电流在生成非平衡自旋极化过程中的作用和自旋生成对能谷简并性的影响。此外，我们也研究了多个与自旋、能谷等自由度相关的材料体系，揭示了它们对光电等外场的响应。我们的研究为实现自旋和能谷的电学调控提供了新的策略，有望应用于设计新型的自旋器件和能谷器件。