隨著器件尺寸不斷減小、集成度不斷提高，摩爾定律逼近物理極限，器件的功耗問題成為制約其發(fā)展的瓶頸。一種有前景的解決途徑是尋找信息傳輸?shù)男路绞?。近年來，能谷自由度被理論提出和?shí)驗(yàn)證實(shí)。為了便于谷電子的應(yīng)用，要求能谷極化具有非易失性，切需要在兩個(gè)能谷極化態(tài)之間自由切換。目前，有兩大類實(shí)現(xiàn)能谷極化切換的方法。一類是通過鐵電打破空間反演對稱性，使能谷極化方向和鐵電極化方向鎖定，在外電場作用下實(shí)現(xiàn)自由切換。另一類方法是利用磁性打破時(shí)間反演對稱，這類材料是具有本征磁性的二維能谷極化半導(dǎo)體。但這類材料難以實(shí)現(xiàn)能谷極化態(tài)之間的切換。因此，需要與鐵電材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，這將增加器件制造的難度。此外，在同一材料中實(shí)現(xiàn)多類型能谷極化是極具挑戰(zhàn)性，但這將拓寬鐵谷材料的應(yīng)用場景。

西安交通大學(xué)材料學(xué)院李平副教授和研究生吳超提出利用二維材料結(jié)構(gòu)相變實(shí)現(xiàn)磁性、鐵電和鐵谷三鐵序共存和多類型能谷極化的機(jī)制。1T和2H相OsBr2單層分別呈現(xiàn)非磁性半導(dǎo)體和具有175.49 meV能谷極化的鐵磁性半導(dǎo)體。有趣的是，1T相OsBr2雙層由于晶格對稱性破缺展現(xiàn)出三態(tài)能谷極化，而2H相雙層的能谷極化則源于時(shí)間反演對稱性破缺和自旋-軌道耦合的共同作用。此外，1T相AB層和2H相AA層的能谷極化和鐵電極化可以通過層間滑移來調(diào)控。重要的是，作者證實(shí)了Li+離子插入可以使2H相轉(zhuǎn)變?yōu)?T相，而1T相可以通過紅外激光誘導(dǎo)發(fā)生結(jié)構(gòu)相變?yōu)?H相。該工作為調(diào)控能谷極化提供了一種可行的策略，并為非易失性納米器件的設(shè)計(jì)提供思路。

該研究成果以《二維材料結(jié)構(gòu)相變實(shí)現(xiàn)三鐵序共存和多類型能谷極化》(Coexisting Triferroic and Multiple Types of Valley Polarization by Structural Phase Transition in 2D Materials)為題發(fā)表于國際著名期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)。西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文的第一作者和第一通訊單位，材料學(xué)院研究生吳超為論文的第一作者，李平副教授為論文唯一通訊作者。

此外，針對鐵磁體系的能谷極化易受外部磁場干擾。相比之下，反鐵磁材料具有零凈磁矩、抗磁擾動(dòng)性強(qiáng)、超高存儲密度和超快響應(yīng)速度等優(yōu)勢。該團(tuán)隊(duì)預(yù)言了單層反鐵磁材料MnBr具有自發(fā)能谷極化特性。通過有效哈密頓量分析，其價(jià)帶頂在K和K′點(diǎn)處的谷劈裂為21.55 meV，源于Mn的dx2-y2軌道貢獻(xiàn)。值得注意的是，盡管單層MnBr在整個(gè)動(dòng)量空間中貝里曲率為零，但其自旋層鎖定的貝里曲率非零，可以實(shí)現(xiàn)層谷自旋霍爾效應(yīng)，并且為反常谷霍爾效應(yīng)提供了先決條件。此外，谷劈裂的大小可通過應(yīng)變、磁場、外加電場以及內(nèi)建電場等多物理場有效調(diào)控。外電場和內(nèi)建電場通過打破空間反演對稱性誘導(dǎo)自旋分裂，從而實(shí)現(xiàn)自旋層鎖定的反常谷霍爾效應(yīng)。值得注意的是，鐵電襯底Sc?CO?可調(diào)控MnBr從金屬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣葮O化半導(dǎo)體。這些發(fā)現(xiàn)不僅拓展了反常谷霍爾效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)途徑，還為設(shè)計(jì)低功耗、非易失性谷電子器件提供了新平臺。

該研究成果以《多場調(diào)控二維反鐵磁MnBr能谷劈裂和反常谷霍爾效應(yīng)》(Multifield tunable valley splitting and anomalous valley Hall effect in two-dimensional antiferromagnetic MnBr)為題發(fā)表于國際著名期刊《物理評論B》(Physical Review B)。聯(lián)培研究生王一丁和西安交通大學(xué)材料學(xué)院研究生孫涵博為共同第一作者，西安交通大學(xué)李平副教授、銅仁學(xué)院佘彥超和張蔚曦教授為論文共同通訊作者。

該團(tuán)隊(duì)在鐵電襯底調(diào)控反鐵磁能谷極化研究的基礎(chǔ)上。系統(tǒng)性探索鐵電襯底Sc2CO2調(diào)控反鐵磁MnPSSe實(shí)現(xiàn)金屬態(tài)到谷極化半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)變的物理起源。揭示了這種相變的微觀機(jī)制源于電荷轉(zhuǎn)移和能帶對齊。此外，他們還發(fā)現(xiàn)Sc2CO2的極化方向轉(zhuǎn)變可以有效調(diào)控貝里曲率偶極子?；谶@一發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)提出了通過非線性霍爾效應(yīng)器件來檢測金屬—谷極化半導(dǎo)體相變的方法。這一發(fā)現(xiàn)不僅為調(diào)控谷自由度提供了一種方案，還為設(shè)計(jì)非線性霍爾效應(yīng)器件提供了有前景的平臺。

該研究成果以《范德華異質(zhì)結(jié)Mn2P2S3Se3/Sc2CO2體系實(shí)現(xiàn)鐵電調(diào)控能谷極化金屬-半導(dǎo)體相變應(yīng)用于非線性霍爾效應(yīng)器件》(Ferroelectric tuning of the valley polarized metal-semiconductor transition in Mn2P2S3Se/ScCO van der Waals heterostructures and application to nonlinear Hall effect devices)為題發(fā)表于國際著名期刊《物理評論應(yīng)用》(Physical Review Applied)。西安交通大學(xué)材料學(xué)院研究生孫涵博和本科生任曄偉為共同第一作者，西安交通大學(xué)李平副教授、銅仁學(xué)院張蔚曦教授為論文共同通訊作者。