[论文解读] Electrical Regulation of Transverse Spin Currents in Unconventional Magnetic Ferroeletrics

Yudi Yang, Zhuang Qian+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 4, 2026

Multiferroics and related materials被引用 0

一句话总结

证明六方YMnO3承载β相非平凡磁性，具有固有自旋动量锁定，能够在没有自旋轨道耦合（SOC）的情况下由电场驱动横向纯自旋电流，并提出一个由铁电畴壁控制的非易失性自旋电子学晶体管。

ABSTRACT

We identify hexagonal YMnO$_3$ as a material realization of the elusive $β$-phase of unconventional magnetism, a noncollinear, noncoplanar antiferromagnetic state defined by intrinsic spin-momentum locking and a topological spin texture. First-principle calculations reveal that this unique electronic structure enables a perpendicular electric field to generate a transverse pure spin current, a response that occurs without requiring relativistic spin-orbit coupling. Symmetry analysis demonstrates that this spin current is intimately related to the material's ferroelectric polarization that breaks the inversion symmetry and is rigorously forbidden at domain walls where electrical polarization vanishes. This provides a blueprint for a non-volatile transistor where a gate voltage switches the spin current conductivity by controlling domain wall density, enabling all-electrical control for energy-efficient antiferromagnetic spintronics.

研究动机与目标

• 在真实化合物中实现β相的非平凡磁性材料实例。
• 阐明铁电极化如何在不依赖相对论性SOC的情况下实现自旋电流生成。
• 建立基于对称性框架，将自旋电流与自旋群对称性和铁电序相联系。
• 展示畴壁如何控制自旋电流导电性，为全电控、非易失性器件提供思路。

提出的方法

• 进行第一性原理计算（DFT），通过校准的Hubbard U再现YMnO3中非共线、非共面的反铁磁基态。
• 分析自旋群对称性以推导极性相和非极性相的自旋电流响应张量。
• 使用Kubo形式子与Wannier90的紧束缚模型分离TS-偶性和TS-奇性贡献，计算自旋电流导电率张量。
• 将自旋电流响应映射到铁电极化和畴壁构型，预测可控的开/关行为。
• 提出一个非易失性晶体管设计，其中铁电畴壁调制在YMnO3通道中的自旋电流生成。

实验结果

研究问题

• RQ1 YMnO3是否能实现具固有自旋-动量锁定的β相非平凡磁性？
• RQ2 在没有自旋轨道耦合的条件下，铁电极化如何实现自旋电流生成？
• RQ3 YMnO3中自旋电流导电性与铁电/畴壁态之间的关系是什么？
• RQ4 畴壁工程是否能提供全电控、非易失性的自旋输运控制，在反铁磁体系中实现？
• RQ5 自旋群对称性如何约束极性相与非极性相中的自旋电流响应张量形式？

主要发现

• β相的YMnO3表现出非共线、非共平面AFM序，动量空间自旋结构的缠绕数为w=2。
• 沿c轴的电场驱动横向纯自旋电流，自旋极化与电流方向锁定，且无需SOC。
• 自旋电流响应具有TS-偶效应和TS-奇效应两部分，在State I中TS-奇效应占主导且对传输行为至关重要。
• 非极性相中自旋电流导电严格被禁止，表明铁电极化与自旋输运之间存在强耦合。
• 临界U值（Uc ≈ 5.2 eV）将绝缘β相与金属性α相分离，而β相带隙在较宽的U范围内保持稳定，约为1.55 eV。
• 铁电畴壁（P=0）抑制自旋电流生成，从而实现全电控的非易失性晶体管概念，其中畴壁密度控制自旋传输。