南京师大团队Newton：开辟量子器件中的自旋-能谷操控新路径 | Cell Press对话科学家

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CellPress细胞科学

2025-12-29 17:45发布于北京CellPress细胞科学官方账号

问AI · 能谷自由度如何选择性操控自旋纹理？
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物质科学

Physical science

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2025年12月19日，南京师范大学李晓教授、周智超副教授课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表了一篇题为“Coupling spin textures to valley degree of freedom in MP2X6”的理论研究论文。该工作发现，二维半导体SnP2Se6单层在其能带结构的不同能谷处，分别呈现出较为稀有的Weyl型和Ising型的自旋纹理。这些能谷依赖的自旋纹理可以通过能谷调制实现选择性表达，为量子器件中的自旋-能谷操控提供了新的路径。

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文章亮点


  1. SnP2Se6单层兼具Weyl型和Ising型的自旋纹理；

  2. 两种自旋纹理与不同能谷相耦合，易于调控；

  3. 能谷依赖的物理性质随着层数变化是鲁棒的，且可推广到其它MP2X6材料。


文章简介


动量空间中的自旋纹理紧密联系于自旋相关的各种物理现象，在自旋电子学领域具有广泛的应用。Rashba型与Dresselhaus型自旋纹理的研究已较为深入。相对比地，Ising型与Weyl型自旋纹理是近年来才被提出的自旋纹理类型，相关研究与材料实现较为稀少。同时兼具这两种自旋纹理的材料系统更是尚未发现，具有极高的研究价值与应用潜力。另一方面，晶体动量空间中不等价的能谷可以展现出能谷对比的物理特性，是一种新兴的电子自由度，为电子学的发展带来了新的机遇。结合自旋纹理和能谷物理相关的研究，一些有趣的科学问题值得人们探究，比如：在二维材料中不同类型的自旋纹理能否与不等价的能谷进行耦合，能否借助能谷自由度对这些自旋纹理进行选择性地调控。


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图1: SnP2Se6单层的原子结构和对称性允许的自旋轨道耦合

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图2: SnP2Se6单层的电子能带结构和能谷依赖的自旋纹理

为解决上述问题，研究团队以近期合成的二维半导体材料SnP2Se6作为研究对象，探究了MP2X6材料家族电子能谷、自旋纹理等性质和它们之间的耦合。通过第一性原理计算，研究团队发现SnP2Se6单层是一种多能谷间接带隙半导体材料，其价带顶和导带底分别位于K±谷和Γ谷。在该单层材料中，上述不等价能谷与不同类型的自旋纹理相耦合。具体来说，Γ谷附近的导带电子态展现出Weyl型的自旋纹理，K±谷附近的价带电子态则分别呈现出自旋相反的Ising型自旋纹理。这两种自旋纹理较为稀少，在同一材料中同时实现这两种自旋纹理更是鲜有报道。进一步，这两种自旋纹理可以通过载流子掺杂等能谷调控方式进行选择性地表达。


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图3: SnP2Se6单层能谷对比的旋光选择吸收性和贝利曲率

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图4: SnP2Se6双层和GeP2S6单层的电子性质

除此之外，SnP2Se6单层可以呈现出能谷对比的旋光选择吸收性和源于贝利曲率的反常霍尔流。与过渡金属双硫族化合物等人们所熟知的能谷材料不同，上述光电性质与能谷依赖的自旋纹理随着层数的变化是鲁棒的。这些性质也有望推广到更多的具有类似对称性的二维材料体系。


上述研究将较为稀有的自旋纹理与能谷自由度进行耦合，有望拓宽自旋与能谷物理的研究范围，为设计新型自旋和能谷相关的电子器件提供了理论指导。

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作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请本文研究团队进行了专访，请他们为大家进一步解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。



研究团队：

Ising型和Weyl型自旋纹理是近年来才被发现的，相关的研究和材料实现较少。我们在MP2X6材料家族中发现共存的Ising型和Weyl型自旋纹理，它们可以通过能谷调控进行选择性表达。这为设计以自旋、能谷自由度为核心的自旋-能谷电子学器件提供了极具潜力的研究载体。

CellPress：

研究过程中是否遇到了困难？团队是如何克服并顺利解决的？或是有任何有趣的故事可以与读者分享？



研究团队：

当得知二维半导体材料SnP2Se6在实验上得以合成，我们随即就展开了对其电子性质的研究。起初，在对其能带结构的研究中，我们发现了不等价能谷的存在和能谷对比的光电性质。参照我们先前研究过渡金属双硫族化合物的经验，我们在SnP2Se6单层的K±谷得到了Ising型的自旋纹理。当我们将目光转向Γ谷，我们发现了Weyl型的自旋纹理，这一发现令我们感到惊喜。随后，我们就开展了对自旋纹理和能谷调控的进一步研究。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？



研究团队：

除了MP2X6材料家族，其它二维材料也可能具有能谷依赖的自旋纹理。下一步，我们期望基于对称性分析寻找更多具有不同自旋纹理的材料，并探究其与自旋、能谷相关的物理现象，为自旋电子学和能谷电子学的研究提供新的思路和材料。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Newton来发表这个工作的原因？



研究团队：

通过社交媒体，我们多次看到Newton期刊相关的学术报道，这些研究工作相当有趣。我们认为Newton是非常有发展潜力的学术期刊。

作者介绍


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   梁丽

博士研究生

梁丽，硕士就读于南京师范大学，导师为李晓教授。现为东南大学在读博士生。

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周智超

 副教授

周智超，南京师范大学物理科学与技术学院，副教授。

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李晓

 教授

李晓，南京师范大学物理科学与技术学院，教授。


相关文章信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton

▌论文标题：

Coupling spin textures to valley degree of freedom in MP2X6

▌论文网址：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950636025003330

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100341

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