晶面取向调控半金属CrO2自旋极化机制的揭示及其对自旋电子器件的意义

本研究针对CrO2表面降解导致自旋极化率与磁阻下降的问题，通过第一性原理计算揭示了(001)、(110)、(100)晶面的电子结构与磁耦合机制。结果表明所有表面均保持半金属性，其中(110)/(100)面具有更强自旋极化与磁矩，(001)面则展现更高磁能稳定性。该研究为设计高性能自旋电子与量子信息器件提供了关键理论依据。

　　

自旋自由度（spin degree of freedom）为可逆且节能的信息处理提供了物理基础，对推动自旋电子学（spintronics）和量子信息技术至关重要。二氧化铬（CrO₂）因其高居里温度（395 K）和完全自旋极化特性，成为极具潜力的半金属（half-metallic）材料。然而表面降解会显著降低其自旋极化率和磁阻，制约实际应用。本研究通过第一性原理计算（first-principles calculations），系统分析了CrO₂的(001)、(110)和(100)晶面的自旋分辨电子结构、自旋电荷分布及磁交换相互作用。所有晶面均保留半金属性，其磁性由铬3d轨道（Cr-3d）与氧2p轨道（O-2p）的耦合所驱动。研究一致观察到铁磁性的铬-铬（Cr–Cr）相互作用与反铁磁性的铬-氧（Cr–O）相互作用。(110)和(100)晶面表现出更强的自旋极化率和更高磁矩，而(001)面则具有更优的磁能稳定性。这些发现阐明了晶面取向对CrO₂自旋电子学特性的调控机制，为高性能自旋电子器件和量子信息器件的设计提供了理论指导。