Zeeman Effect in Centrosymmetric Antiferromagnetic Semiconductors Controlled by an Electric Field

塞曼效应 凝聚态物理 反铁磁性 自旋电子学 磁化 物理 电场 磁性半导体 自旋(空气动力学) 半导体 极化密度 塞曼能源 自旋极化 磁场 铁磁性 量子力学 电子 热力学
作者
Hong Jian Zhao,Xinran Liu,Yanchao Wang,Yurong Yang,L. Bellaïche,Yanming Ma
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:129 (18) 被引量:8
标识
DOI:10.1103/physrevlett.129.187602
摘要

Centrosymmetric antiferromagnetic semiconductors, although abundant in nature, seem less promising than ferromagnets and ferroelectrics for practical applications in semiconductor spintronics. As a matter of fact, the lack of spontaneous polarization and magnetization hinders the efficient utilization of electronic spin in these materials. Here, we propose a paradigm to harness electronic spin in centrosymmetric antiferromagnets via Zeeman spin splitting of electronic energy levels---termed as the spin Zeeman effect---which is controlled by an electric field. By symmetry analysis, we identify 21 centrosymmetric magnetic point groups that accommodate such a spin Zeeman effect. We further predict by first principles that two antiferromagnetic semiconductors, ${\mathrm{Fe}}_{2}{\mathrm{TeO}}_{6}$ and ${\mathrm{SrFe}}_{2}{\mathrm{S}}_{2}\mathrm{O}$, are excellent candidates showcasing Zeeman splittings as large as $\ensuremath{\sim}55$ and $\ensuremath{\sim}30\text{ }\text{ }\mathrm{meV}$, respectively, induced by an electric field of $6\text{ }\text{ }\mathrm{MV}/\mathrm{cm}$. Moreover, the electronic spin magnetization associated to the splitting energy levels can be switched by reversing the electric field. Our Letter thus sheds light on the electric-field control of electronic spin in antiferromagnets, which broadens the scope of application of centrosymmetric antiferromagnetic semiconductors.
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