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摘要：研究小组通过结合了进化算法和第一性原理电子结构计算的晶体结构搜索方法，发现了一种具有螺旋结构的正交晶钨。与观察到巨大自旋电流的立方晶钨相比，这种正交晶钨的自旋霍尔效应大1.2倍，有望用于开发一种新型巨大自旋电流产生材料。

关键词：正交晶钨、螺旋结构、立方晶钨、自旋电流产生材料、自旋霍尔效应

要点

·研究小组通过结合了进化算法和第一性原理电子结构计算的晶体结构搜索方法，发现了一种具有螺旋结构的正交晶钨。

·与观察到巨大自旋电流的立方晶钨相比，这种正交晶钨表现出更大的自旋霍尔效应。

·如果能够发现适合正交晶钨的薄膜生长的最佳衬底晶体，则有望开发一种新型巨大自旋电流产生材料。

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研究概要

研究小组使用第一性原理电子结构计算，预测出了一种具有较大自旋霍尔效应的正交晶钨。研究小组将一种使用进化算法的晶体结构搜索方法应用于钨，结果显示，除了先前已知的立方晶的α和β相外，还获得了15种新的亚稳态结构。其中之一的正交晶结构由α相对应的体心立方结构的螺旋变形而形成，其自旋霍尔效应预计比已经观察到巨大自旋电流产生的β相大1.2倍。这一成果将有望为巨大自旋电流产生材料的开发提供新的指导。

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研究内容

自旋电子学研究领域除了固体中的电荷外，还积极利用电子自旋的自由度来实现新功能性器件，理解和控制向上自旋和向下自旋逆向流动的“自旋电流”非常重要。自旋电流在电流中没有对应于欧姆定律的耗散机制，由于容易产生量子力学叠加态，可以实现无能量损失的信息传输和量子信息传输，因此人们在其产生、检测和控制方面做了大量研究。据透露，还可以通过使自旋电流流过磁性材料来控制磁化方向，有望应用于磁存储器。因此，一种利用通过电气方式产生自旋电流的“自旋霍尔效应”的方法引起了人们的关注。

为了发现新型自旋电流产生材料，本研究重点关注了价格低廉且具有巨大自旋霍尔效应的钨。钨在薄膜中获得了最稳定的体心立方结构（α相）和亚稳态A15型结构（β相），并且已知仅β相会产生最大的自旋电流。研究小组通过将进化算法与第一性原理电子结构计算相结合的晶体结构搜索方法应用于钨，发现了15种新的亚稳态结构。通过使用已建立的理论模型研究自旋霍尔效应的大小。结果发现，在图1所示的正交晶结构中可以获得较大的自旋霍尔效应。这是α相的体心立方结构螺旋变形而成的结构，自旋霍尔效应比α相大2倍，还比已观察到巨大自旋电流产生的β相大1.2倍。研究还发现，其他重金属（如钼和钽）也会出现类似的效果，螺旋变形结构会引起较大的自旋霍尔效应。

图1：（左）具有体心立方结构的钨α相，具有ACAC…层压的锯齿形结构；

（右）用进化算法获得的正交晶钨，具有ABCDABCD…层压而成的螺旋结构。

本研究可作为借助进化算法寻找自旋电流产生材料的模型案例。

众所周知，利用现代成膜技术，为每个原子层堆叠薄膜来创建人造物质，可稳定亚稳态结构。通过结合基于进化算法的晶体结构搜索、使用第一性原理计算和理论模型的自旋霍尔效应计算，有望开发出一种创新型自旋电流产生材料。

翻译：王宁愿

审校：刘翔

李涵

通稿：李涵

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发现具有螺旋结构的正交晶钨——有望开发一种新型巨大自旋电流产生材料