电控铁谷体谷极化的第一性原理研究

Realizing nonvolatile storage based on valley material is an important subject in the field of valleytronics. On the other hand, all-electric control is the goal of next generation information devices. We have recently proposed the concept of ferrovalley, which helps to solve the nonvolatile storage problem of valley material. Based on that, this project aims to realize the electric control of the valley polarization in ferrovalley materials through systematic theoretical researches, including first-principles calculation based on density functional theory, orbital selective external potential method and model analysis. Specifically, we intend to explore the various origins of ferrovalley, and achieve the all-electric control of valley polarization through special structural design and finding new type of ferrovalley materials. This study is important for us to understand and manipulate the couplings between valley, spin and charge. Also it is useful to design the new quantum device based on valleytronics.

如何实现基于谷材料的非易失性存储是谷电子学领域的重要课题，而全电学方法的器件设计更是未来新型信息器件的发展方向。申请人最近提出了铁谷体概念，有助于解决谷材料的非易失性存储问题。在此基础上，本项目期望通过系统的理论研究，包括基于密度泛函的第一性原理计算、选择性轨道外场方法及模型解析等多种手段，探索实现铁谷体谷极化的电学调控方法。具体说来，我们拟探索铁谷性的多种起源，通过特殊结构设计和寻找新型铁谷体等多种手段来实现用全电学手段对谷极化的操控。这一研究对理解和操纵能谷、自旋、电荷等多个自由度的相互耦合，丰富谷电子学和多铁体理论具有重要意义，并将推动基于谷电子学的新型量子器件早日走向实际应用。

采用全电学方法实现基于谷材料的非易失性存储是谷电子学领域的重要发展方向。本项目在前期提出的铁谷体概念基础上，通过系统的理论研究，探索出多种实现铁谷体谷极化的电学调控方法，取得了以下重要成果：1）寻找到铁电性诱导的铁谷体系MX(M=Ge,Sn, X=S，Se)，并基于其谷的线偏选择特性提出了一种电控偏振手段；2）在六角反铁磁谷电子材料中通过构造异质结方式实现电控谷极化，为反铁磁谷电子材料的应用提供理论基础；3）提出“半谷金属”的概念，将铁谷性研究和拓扑物理学结合，预言了谷材料中存在量子反常谷霍尔效应为铁谷体的应用提供新的发展思路；4）设计出基于二维铁谷体SnSe的同质铁电隧道结。5）基于理论研究，积极开展相关实验，并在层状铁谷材料GeSe中实现了层间反铁电-层间铁电的转变；6）在转角铁谷体系中发现赝自旋织构诱导的奇异介电行为，特别是首次发现了静电场诱导的负介电常数现象，揭示了双层磁性转角体系中的新物理现象，进一步提出了超谷电子概念。上述研究对理解和操纵能谷、自旋、电荷等多个自由度的相互耦合，理解固体物理中的电子集体行为，丰富谷电子学和多铁体理论具有重要意义，并有助于推动基于谷电子学的新型量子器件早日走向实际应用。