近日，我校物理学院阚二军教授团队在国际顶尖期刊Nature Communications上发表了题为“Electric-field switching of interlayer magnetic order in a van der waals heterobilayer via spin-electric potential”的研究论文。黄呈熙教授为论文第一作者，阚二军教授为通讯作者，南京理工大学为第一单位。
图一为磁性范德华异质结中自旋静电势诱导的电控磁理论
现代磁存储器的应用主要基于巨磁阻效应，即磁隧道结的隧穿电阻会随其磁态转变而发生显著变化。通过外电场（电压）而非电流或磁场来控制磁态，是发展下一代低耗散、高密度自旋电子器件（如磁随机存储器）的长久目标。近年来，二维磁性材料获得了广泛的关注，实验证实在二维范德华磁体中也存在巨磁阻效应，且这种磁阻可通过多种实验手段进行调制，例如外加磁场、磁电混合场、铁电极化场、应变、压力、转角、滑移和自旋注入等等。这些进展为新型二维全范德华磁隧道结的发展奠定了基础。然而，由于磁性和静电场之间不存在直接的耦合，因此实验上很难利用纯电场来实现对范德华层间磁序的有效调控。
针对这一难题，团队提出了一种普适性的自旋—静电势机制，即在非对称的范德华磁性双层结构中，层间的极性自旋相互作用会导致不同的层间磁序产生不同的面外电偶极矩。因此，在面外电场的作用下，层间自旋平行序与反平行序将获得截然不同的电偶极势能，从而逆转它们的相对稳定性。首先通过对磁性双格点紧束缚模型的分析，证明了自旋序与电偶极矩的相互作用来源于自旋平行态与反平行态之间自旋电荷占据和空间分布的差异。然后基于第一性原理计算，预测了一系列非对称范德华磁性异质双层结构存在由自旋-静电势机制驱动的强磁电耦合效应。基于这一机制，理论估算通过约0.1 V/Å的面外电场即可实现层间自旋平行序与反平行序之间的转变。这项研究不仅揭示了普适性的范德华界面磁电耦合的新机制，更为实现纯电场驱动的磁序相变提供了可行策略。
该研究获得了科技部和基金委自然科学基金的资助。
论文信息：Chengxi Huang, Jinzhe Han, Jing Wang, Jintao Jiang, Ziyang Qu, Fang Wu, Ang Li, Yi Wan, Kaiyou Wang & Erjun Kan, Electric-field switching of interlayer magnetic order in a van der waals heterobilayer via spin-electric potential. Nat. Commun. 16, 10379 (2025).
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65371-1
