纯计算，二维材料最新进展！
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铁磁材料在各个行业各个领域都有着广泛的应用，例如在电子、磁性存储、磁传感器等领域，铁磁材料是磁性材料大家族中需求量最大的品种。然而，当前铁磁材料技术存在的不足，比如低居里温度、磁性不稳定性等问题。
为了解决这些挑战，复旦大学杨中芹、华东理工大学薛阳教授等携手出了一种全新的铁基二维材料，即铁基MgFeP，并对其进行了深入研究。本文采用了密度泛函理论（DFT）等第一性原理计算方法，结合维也纳从头算模拟包（VASP）等工具，对铁基MgFeP的结构稳定性、磁性质和自旋轨道耦合效应等进行了详尽分析。通过计算得出的结果显示，铁基MgFeP具有显著高的居里温度（约1525K）和优异的结构稳定性，同时具有强烈的自旋轨道耦合效应，为实现量子反常霍尔效应提供了良好的基础。
图1展示了MgFeP的结构与稳定性，这对于该材料在量子拓扑电子器件中的应用至关重要。MgFeP呈现出四方结构，其空间群为P4/nmm（No.129）。这一结构特征是该研究中重要的指标之一，因为晶体结构的特异性直接影响材料的性能。为了评估MgFeP的热稳定性，研究者采用了第一性原理分子动力学（MD）模拟，模拟温度高达600K的环境。结果显示，在经过10ps的模拟后，MgFeP结构能够在高温条件下保持完整。这表明MgFeP在高温环境下具有出色的结构稳定性，为其在实际应用中提供了有力的支持。图1c展示了MgFeP的动力学稳定性，通过声子光谱的研究，研究者未观察到任何虚频模式。这意味着MgFeP在其结构中没有出现不稳定的振动模式，进一步验证了其在各向同性动态条件下的出色稳定性
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图2展示了MgFeP的拓扑性质。在图2a中，由Fe dxy和dz2轨道贡献的两个主要自旋频带在费米能级（EF）处交叉，形成了自旋极化的2D Weyl点。在考虑自旋轨道耦合（SOC）的情况下（见图2b），这些交叉简并点被提升，并形成了一个56 meV的带隙。在这个能量窗口内，反常霍尔电导σxy取σxy=Ce2/h的量子化值（见图2c），表明MgFeP中存在量子反常霍尔（QAH）效应。Berry曲率分布（见图2d）展示了第一布里渊区中四个等效的QAH带隙，每个带隙含有0.5个拓扑电荷。作为QAH效应的标志，作者验证了拓扑带隙内的两个手性无隙边缘态（见图2e）。这些结果揭示了MgFeP作为一种潜在的拓扑绝缘体，在室温下展现出量子反常霍尔效应的可能性
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3展示了MgFeP中的铁磁-双交换（FM-DE）机制。在图3a和b中，Fe原子的dxy和dz2轨道穿过费米能级（EF），并由于Fe 3d和P 3p之间的强杂化而呈现出金属行为。由于Hund耦合J的强相关性，dxy和dz2轨道之间不存在明显的晶体场分裂。Fe 3d轨道可分为两组：（1）dx2-y2和dxz/yz（近半填充）和（2）dxy和dz2（远多于半填充）。前者表现出局域化行为，在自旋向上占据和自旋向下未占据的DOS峰之间有明显的带隙ΔM，而后者表现出金属性，导致在MgFeP中形成轨道选择性Mott相（OSMP）。在图3c中，dxy和dz2轨道与离域的p 3p轨道有非常强的相互作用。因此，当两个相邻Fe原子的磁化方向平行时，p轨道的自旋电子可以跃迁到Fe2的{dxy，dz2}轨道，形成一条简单路径。空位p轨道则被Fe1的自旋电子跃迁所填充，以节省系统中的总能量，从而导致强烈的FM-DE相互作用。相反，当两个相邻的Fe原子是反铁磁（AFM）时，这种跃迁被禁止。在图3d中，通过空穴掺杂，MgFeP的居里温度（Tc）显著增加（从1525 K增加到1630 K），揭示了FM状态与载流子浓度密切相关。因此，MgFeP中独特的OSMP和丰富的载流子是产生高Tc的关键因素
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3. 活细胞中通过Seahorse Analyzer或FiLa进行的糖酵解应激测试的比较研究
图4展示了MgFeP的增强带隙、磁各向异性（MAE）和相图。在图4a中，ΔMorb与MAE的趋势相似。在应变ε=−2%下，随着自旋向上通道的带隙闭合，导带最小值（CBM）和价带最大值（VBM）在X点附近完全极化。当应变继续增强时，自旋向上通道的带隙也闭合（ε=−5%）。然而，当应变为拉伸状态（ε=1%）时，自旋向上态在Γ点取代了X点附近的自旋向下态，成为新的CBM。因此，导带和价带可以在不同的自旋通道中传输载流子。在ε=1%的情况下，这种双极半导体（BS）状态与QAH绝缘状态共存（图4b）。在图4c中，间接双极全局带隙ΔEG在ε=2%下闭合，并且BS状态转变为双极半金属相（BSM）。这些结果揭示了MgFeP的结构调控能够实现带隙工程，并在不同应变条件下实现不同的电子性质
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图5展示了在不同拉伸（ε=−2%到2%）应变下，MgFeP的能带结构及轨道图像的变化。从图5a到图5c，可以观察到P及其P轨道被拉离Fe，导致P py和Fe dz2轨道之间的库伦排斥减弱，进而使能带（蓝色和绿色能带）的能量降低。在图5b到图5c的过程中，P py轨道在y方向上更加局域化，但在z方向上延伸。由于P py轨道靠近Fe dx2-y2轨道，两者之间的库伦斥力增强，使得具有更多Fe dx2-y2轨道贡献的价带最大值（VBM）的能量从图5b向上移动到图5c。在图5a到图5c中，随着拉伸应变下Fe-P距离的增加，Γ点处的导带最小值（CBM），主要由P s轨道组成，在能量上向下移动。图5c的插图显示，在P和Fe平面之间的高度差从1.72Å压缩到1.62Å时，材料中出现更大的全局自旋轨道耦合（SOC）带隙
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本文揭示了Hund金属作为一种有效的材料平台，可以实现高性能量子拓扑电子器件的可能性。通过研究MgFeP的独特多轨道性质和轨道选择性Mott相（OSMP），作者深入理解了其铁磁双交换机制和量子反常霍尔效应的物理机制。这不仅拓展了作者对多轨道材料的认识，还为设计和合成更具实用性和可控性的量子拓扑材料提供了新的思路。此外，这些发现将为量子信息领域和新型电子器件的发展提供新的材料基础，并推动作者向着实现高性能、低能耗的量子技术迈进
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Qingzhao Yao et.al Orbital-Selectivity-Induced Robust Quantum Anomalous Hall Effect in Hund’s Metals MgFeP Nano Letters 2024 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04098
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