近日，博彩论坛 李晓教授课题组在能谷和自旋劈裂的调控方面取得研究进展。相关结果以“Tunable Valley and Spin Splitting in VSi₂N₄ Bilayers”为题发表在国际顶级期刊《Nano Letters》。课题组2020级在读研究生梁丽为论文的第一作者，李晓教授为论文的通讯作者。

能谷是指固体能带结构中布洛赫电子能量局域极值所在的位置。对于具有两个或两个以上能谷的材料，电子的能谷自由度可以作为一种新的信息载体，用于设计先进的电子器件。对于能量简并的能谷，它们往往可以通过对偏振光的选择性吸收实现选择性表达。为了进一步利用能谷自由度，人们需要产生和调控静态的能谷极化，其中能谷简并性的调节至关重要。与外磁场和磁近邻效应相比，外加电场是一种更具有能效性、更加可控的能谷调节方式。在多个二维能谷材料中，人们已经应用电学方法调控能谷结构。然而，关于磁性能谷材料电学调控的研究还相对较少，其磁序和堆垛序对能谷性质的影响尚不清楚。磁序和堆垛序都有可能为能谷物理的研究增加新的维度，值得人们进一步探究。

另一方面，大量二维材料的涌现为探索能谷和自旋物理提供了机遇。最近，一类新的二维层状材料MA₂Z₄ (M=过渡金属; A=Si, Ge; Z=N, P, As)已在实验中合成。VSi₂N₄单层是MA₂Z₄家族中的一个典型成员。它是具有两个能谷的铁磁性半导体材料。因此，VSi₂N₄双层可作为研究能谷、自旋和层自由度相互作用的一个非常好的平台。

在该项工作中，李晓教授课题组通过第一性原理计算研究了VSi₂N₄双层的磁学和电子性质。考虑不同的层间磁序和堆垛序，VSi₂N₄双层表现出不同的能谷和自旋简并度。对于最稳定的AA'堆垛的VSi₂N₄双层，层间反铁磁序的电子结构具有自旋简并的能带和可观的能谷劈裂，而层间铁磁序的能带结构具有单一的自旋和简并的能谷。由于自旋-层耦合和能谷-层耦合的存在，上述能谷和自旋的简并可以进一步用外加垂直电场进行调控。此外， VSi₂N₄双层中其它的堆垛结构也表现出丰富的能谷和自旋物理。由此，VSi₂N₄双层可以展现出多种输运行为，包括谷霍尔效应、自旋霍尔效应以及具有任意能谷和自旋指标的反常霍尔电流。更多的，上述特征也有望在其它的双层或多层磁性能谷半导体材料（如VSi₂P₄、2H-VSe₂和MnPSe₃等）中得以实现。我们工作中研究的层自由度，包括层间磁序和堆垛序，为能谷和自旋物理增加了新的维度，由此得到的可调节的能谷和自旋劈裂为设计先进的电子器件提供了新的策略。

该研究工作得到国家自然科学基金青年项目、江苏省特聘教授计划等科研项目的资助。论文链接为：//pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03963