施加外磁場可以調控磁性材料的電極化、光偏振、溫度、幾何形狀等宏觀物性，即實現磁電、磁光、磁熱、磁彈等效應。這(zhè)些效應是構成(chéng)磁性功能(néng)器件如磁探測儀、磁光克爾儀、磁制冷機等的物理基礎。考慮到材料的宏觀物性與微觀電子結構存在密切關系，最直觀的想法是通過(guò)磁場直接調控電子能(néng)帶結構，從而改變材料的電學(xué)及光學(xué)等特性。在外磁場的作用下，原本簡并的電子自旋态會産生塞曼能(néng)級劈裂。然而這(zhè)是一個微小的能(néng)量量級，如1特斯拉的巨大磁場（約地磁場的三萬倍）隻能(néng)産生的微小能(néng)級劈裂，遠小于室溫下的熱漲落，因此無法用于器件設計及應用。

　　近日，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所鍾志誠研究員團隊和荷蘭特文特大學(xué)廖昭亮博士合作，提出了一種(zhǒng)新型的磁控電子結構效應：通過(guò)外磁場調控磁化方向(xiàng)，借助自旋軌道(dào)耦合，實現電子能(néng)帶結構的巨大改變。理論預測該效應中外磁場對(duì)電子能(néng)帶結構的能(néng)量調控可以高達，比經(jīng)典的塞曼效應大了3個數量級，高于室溫下的熱漲落，可用于設計新型的磁電、磁光器件。

　　研究人員首先采用模型分析，發(fā)現在具有低對(duì)稱性、強自旋軌道(dào)耦合和長(cháng)程鐵磁序的材料中，通過(guò)施加外磁場改變磁化方向(xiàng)，借助自旋軌道(dào)耦合，可以實現能(néng)帶結構的巨大改變（如圖1所示）。但困難在于一直缺乏滿足以上條件的材料體系，直到最近發(fā)現了能(néng)完美符合以上條件的二維鐵磁材料。研究人員以二維鐵磁材料CrI3爲例，采用第一性原理計算，預測該材料具有巨大的磁控電子結構效應（如圖2所示）。當磁化方向(xiàng)從面(miàn)外調控到面(miàn)内時，電子能(néng)帶結構會從直接帶隙轉變爲間接帶隙，費米面(miàn)也會發(fā)生變化（如圖3所示）。此外，磁化方向(xiàng)的改變還(hái)可以驅動拓撲相變。這(zhè)些顯著的能(néng)帶變化會改變光學(xué)、電輸運性質。例如，可以利用磁場調控磁化方向(xiàng)控制熒光效應。另外，費米面(miàn)的變化會誘導出巨大的各向(xiàng)異性磁阻，拓撲相變會改變材料的表面(miàn)态的拓撲特性（如圖4所示）。這(zhè)些理論預言的功能(néng)性質的變化未來可以通過(guò)進(jìn)一步的實驗證實。　　

　　綜上所述，該工作提出了一種(zhǒng)全新的磁控電子結構效應，即通過(guò)施加外磁場改變磁化方向(xiàng)，實現對(duì)能(néng)帶結構的巨大改變，進(jìn)而調控一系列相關的電子特性。利用該效應，可以制備出新型的自旋電子器件及磁電、磁光器件。此外，該效應需要滿足低對(duì)稱性、強自旋軌道(dào)耦合、長(cháng)程鐵磁序三個條件，基于以上條件進(jìn)行搜尋，有望發(fā)現更多具有磁控電子結構效應的材料體系。

　　上述工作于2018年5月22日以“Spin Direction-Controlled Electronic Band Structure in Two-Dimensional Ferromagnetic CrI3”爲題發(fā)表在Nano Letters (Nano Lett. 2018, 18, 3844-3849)期刊 (論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.8b01125)。甯波材料所的蔣沛恒博士和李磊博士爲該論文的共同一作，甯波材料所鍾志誠研究員和荷蘭特文特大學(xué)廖昭亮博士爲共同通訊作者，南京大學(xué)的趙宇心教授參與拓撲部分的讨論。該工作得到了國(guó)家重點研發(fā)計劃（2017YFA0303602）、國(guó)家自然科學(xué)基金（11774360）及甯波市3315創新團隊的支持，所有的數值計算都(dōu)在甯波材料所超算中心進(jìn)行。

　　      （磁材事(shì)業部 蔣沛恒、鍾志誠）