在二维六方晶格的铁磁材料中，当时间反演和空间反演对称性被打破时，材料将呈现出外场可调的自发谷极化，因此在磁性过渡金属二硫化物中，谷电子学的研究得到了极大的促进。多铁性材料具有铁电性(FE)、铁磁性(FM)、铁弹性和铁谷(FV)等不同组合的耦合特性，近年来因其良好的物理性质和潜在的应用前景而引起了人们的极大兴趣。然而，在过去的几十年里，二维铁电和二维铁谷材料的实际应用受到了它们的稀缺性的极大限制。同时，调控方法的缺乏也阻碍了研究人员对其潜在应用的探索。近年来，滑移铁电(Sliding ferroelectricity, SFE)模型的提出为二维范德华(vdW)材料的多铁性探究提出了一种新的可能。

中山大学物理学院郑跃团队罗鑫课题组通过第一性原理计算的方法，提出利用应变工程来控制SFE双层2H-VX2(X=S, Se, Te)中的自旋谷耦合。他们通过在面外范德华方向施加一个小的外部应变或压力，预测在双层VX2中存在反铁磁性到磁性的转变，诱导了K+和K-谷的有趣的自旋极化和手性圆偏振光跃迁。该研究首先分析了R堆叠下三个能量极值点处的铁电极化情况，发现只有在反演对称破缺与垂直方向镜面对称性破缺的情况(AB和BA)下，VX2中才会存在自发的SFE极化。

图1 双层R堆叠下VX2中的铁电性

其次，在R堆叠的双层VX2中，作者将滑移铁电性和反铁磁性结合在一起构建了四个多铁态(如图２所示)，其中自旋极化和谷极化通过层相关的自旋极化能带结构耦合在一起，四个多铁态之间可以通过外加电、磁场的方式来回切换。作者也给出了AB和BA两种堆叠方式下材料的贝里曲率分布(如图２ c和d所示)，为材料中的反常谷霍尔效应研究提供了参考。

图2 双层R堆叠VSe2中的四态切换

此外，该研究表明，轻微的面外压力会引起双层VX2(X = Se, Te)中反铁磁AFM到FM层间耦合的转变，显著影响自旋和谷自由度之间的耦合。由于层间AFM和FM耦合将对应不同的谷极化状态，因此，可以通过简单的垂直应变替代磁场来有效切换层间耦合状态，实现谷极化状态的切换。

为了理解这些多铁系统中不同自由度之间的耦合，作者利用简化的有效k·p模型揭示了层间滑动产生的电极化与K+和K-谷最大价带能差之间的线性关系(图3b)。因此，提供了一种光学方法来测量SFE体中的电极化。基于应变、自旋谷和电极化之间的强耦合，有可能利用应变来控制2H-VX2的一些有趣的新物性，自发产生不同取向的净自旋电流等。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41524-024-01288-5