近日，我院凝聚态计算与理论物理研究所在外电场调控一维Rashba自旋劈裂及其垂直磁各向异性的研究方面取得重要进展，研究结果以“Rashba spin splitting and perpendicular magnetic anisotropy of Gd-adsorbed zigzag graphene nanoribbon modulated by edge states under external electric fields”为题发表于物理类期刊《Physical Review B》上。我院青年教师秦真真为第一作者兼通讯作者，湖南大学秦光照教授和南开大学左旭教授为共同通讯作者。

一直以来，调控磁性（如磁各向异性，磁交换耦合及Rashba自旋分裂）都是自旋电子学领域研究中的焦点。一般情况，自旋电子设备需要利用磁场实现自旋劈裂，然而Rashba效应可以在不依赖外磁场的情况下，利用空间对称性破缺即可实现自旋劈裂。由于一维Rashba效应可实现新奇电子现象（比如Majorana束缚态），这使它在基础科学中的角色变得越来越重要。此外，一维电子态具有极小尺寸和高效抑制后向散射的特点，相比于二维和块体的形式具有明显优势。与二维形式相比，一维体系中的Rashba效应在外电场调控下有望呈现不同的物理行为和机制。当前，以下问题亟待解决：i）是否能通过外电场有效地操纵一维Rashba自旋分裂？ii）外电场是如何调控一维Rashba体系的性质？iii）外电场下一维Rashba体系的磁各向异性能现象及机理是什么？解决上述关键问题将有助于为实验制备可调一维Rashba体系及其磁各向异性机制的深入理解提供理论指导。

以Gd吸附锯齿状石墨烯纳米带（Gd-ZGNR）这一Rashba体系为研究对象，我们基于第一性原理研究报道了外电场下由边缘态调制的Rashba自旋劈裂行为及其垂直磁各向异性机理。计算发现，相比于垂直电场，横向外电场可以更有效调控一维体系中的Rashba自旋劈裂（图1）。此外，不管是垂直还是横向电场，虽然MAE在k空间中的贡献和Rashba自旋劈裂出现明显的调控，但该体系均一直保持面外磁各向异性。接着，基于不同电场值下轨道分解能带结构和自旋密度对其调控机制进行了深入分析，通过边缘态p_z调制Gd-5dx₂-y₂,dxy是操控磁各向异性的关键，甚至对其Rashba自旋劈裂的调控起到决定性作用（图2）。因此，有望通过外电场或者是其他方式改变纳米带的边缘态，从而达到操控磁各向异性能和一维Rashba自旋劈裂。该研究提供了一种通过边缘态调控Rashba自旋劈裂的策略，并对一维Rashba体系的磁各向异性提供深刻的见解，这将极大地激发人们对ZGNR基体系在自旋电子学和奇异电子现象中的进一步研究。

图1：Gd-ZGNR 在(a)横向及(b)垂直电场作用下的k空间磁各向异性能分布图；(c) Rashba自旋劈裂示意图；(d) 外电场作用下Rashba自旋劈裂幅度的变化趋势。

图2：(a) Gd-ZGNR 在横向及垂直电场作用下的差分自旋密度；(b) Gd-ZGNR和 (c)纯净ZGNR平面内自旋电荷转移示意图。

该工作得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目和郑州大学拔尖博士启动项目的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.101.014451。