近日，学院任俊峰教授团队在自然指数期刊《Physical Review B》上发表了题为“Layer-Locked Multiple Valley Hall Effects in Tetragonal Altermagnetic/Ferromagnetic Monolayers M2SiCX2 (M = Transition Metal; X = S, Se)”的研究论文。山东师范大学为唯一署名单位，博士研究生陈洪欣为第一作者，任俊峰教授为论文通讯作者。
有效利用能谷自由度进行信息存储与处理为下一代低功耗自旋电子器件的设计提供了新的思路。目前，研究人员对六角蜂窝状能谷材料进行了深入探索，并对四方晶系能谷材料进行了初步研究。然而，对二维四方材料中与谷相关的霍尔效应的研究仍然有限。值得注意的是，最近研究人员提出的交错磁性材料结合了铁磁材料中自旋劈裂的优点与反铁磁材料零净磁化的特性，该材料不仅能够克服控制和操纵反铁磁序的挑战，还可以避免铁磁材料对外部磁场的敏感性，从而成为一种理想的磁性候选材料。如果交错磁性材料可以作为实现谷相关霍尔效应的通用平台，这将为基于谷的电子器件的设计开辟新的机会。
基于对称性分析和紧束缚模型，作者提出了可以实现层锁多谷霍尔效应的四方体系——交错磁/铁磁单层M2SiCX2（M为过渡金属原子；X为S或Se原子）。为了有效地验证该体系可实现层锁多谷霍尔效应的预测，作者通过第一性原理计算研究了稳定的候选材料单层Cr2SiCX2的电子结构性质。研究表明，单层Cr2SiCX2是具有近室温奈尔温度的本征交替磁能谷材料。其能谷处具有非零贝里曲率，在载流子掺杂下可实现净层锁谷霍尔效应。同时，在施加外电场或单轴应变的情况下可以打破连接X1和X2谷的对称性而获得超过100meV的谷极化，这为净层锁反常谷霍尔效应的实现提供了可能。作者还进一步对Cr2SiCX2铁磁态下的性质进行了研究，发现其为高陈数陈绝缘体，并且在载流子掺杂后可实现反常双谷霍尔效应，同时在外场下也可实现净层锁反常谷霍尔效应。这项工作不仅发现了结合谷层耦合和平庸交错磁态的四方谷电子体系，也为利用净霍尔电压来观察和控制二维四方材料中的谷自由度提供了新的思路。
图1 四方单层M2SiCX2中的层锁多谷霍尔效应示意图
以上研究获得国家自然科学基金、山东省自然科学基金及山东省高等学校青创科技计划项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.111.155428
