中国科学技术大学化学与材料科学学院、精准智能化学全国重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心的理论与计算化学研究团队在自旋电子学与能谷电子学领域取得重要进展。该团队通过理论设计，首次在双层金属有机框架（MOF）材料中实现了具有电控可调自旋-能谷耦合特性的新型交变磁体（Altermagnet）,为下一代纳米尺度自旋与能谷器件开发提供了全新材料平台。相关研究结果以《Bilayer metal-organic framework altermagnets with electrically tunable spin-split valleys》为题，于2025年4月18日在线发表于《美国化学会志》(Journal of the American Chemical Society) (DOI: 10.1021/jacs.5c04106).
交变磁体是近年来发现的一类新型磁性材料，其独特的自旋-晶体对称性耦合特性打破了传统铁磁与反铁磁的分类框架。然而，现有交变磁体多集中于无机材料体系，且对自旋、能谷和层间自由度的协同调控仍面临挑战。研究团队基于对称性分析，从37种可能的交变磁体自旋点群中筛选出7种可实现“自旋-能谷-层间耦合”的候选对称性（如42m等）（图1），并选择化学可调性的双层MOF作为实现平台。
图1 具有自旋分裂的七种双层交变磁自旋点群的极射赤面投影
团队以铬基MOF（Cr(dcb)2）为起点，通过氰基修饰构建了具有S4对称性的双层结构Cr(tcb)2。理论计算表明，该材料在基态下呈现层内铁磁、层间反铁磁耦合，价带最大处自旋分裂能达162.7 meV，远超部分无机交变磁体（如Mn5Si3的150 meV）。首次揭示了双层MOF中自旋分裂能谷的层间锁定机制：X与X’点的自旋能谷分别由上下两层贡献。施加垂直电场后，两能谷的自旋分裂呈现反向响应——正向电场使X’点分裂能增大38.8 meV，而X点几乎消失。这种非易失性调控为自旋阀和能谷逻辑器件提供了新思路（图2）。
蒙特卡洛模拟预测Cr(tcb)2居里温度为205 K，分子动力学模拟证实其在200 K下结构稳定。声子谱分析进一步验证了材料的动力学稳定性。
图2 双层交变磁金属有机框架中的自旋-谷-层耦合和面外电场调控
该研究为开发低功耗自旋存储器和电控能谷器件提供了理论指导，提出的“对称性筛选-化学修饰-电场调控”策略，可扩展至其他二维磁性MOF体系，推动多自由度量子器件的设计。
此项工作得到了国家杰出青年科学基金、中国科学院战略性先导科技专项等项目的支持。论文通讯作者为中国科大化学与材料科学学院，精准智能化学全国重点实验室的武晓君教授和吕海峰副研究员，第一作者为化学国家高层次人才培养中心、微尺度物质科学国家研究中心博士生车沂轩。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04106