Activating magnetoelectric optical properties by twisting antiferromagnetic bilayers

反铁磁性 凝聚态物理 手性(物理) 自旋电子学 范德瓦尔斯力 物理 密度泛函理论 材料科学 铁磁性 对称性破坏 量子力学 自发对称破缺 Nambu–Jona Lasinio模型 分子
作者
Kunihiro Yananose,Paolo G. Radaelli,Mario Cuoco,Jaejun Yu,Alessandro Stroppa
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:106 (18) 被引量:3
标识
DOI:10.1103/physrevb.106.184408
摘要

Twisting in bilayers introduces structural chirality with two enantiomers, i.e., left- and right-hand bilayers, depending on the oriented twist angle. The interplay between this global chirality and additional degrees of freedom, such as magnetic ordering and the local octahedral chirality arising from the geometry of the bonds, can yield striking phenomena. In this work, we focus on collinear antiferromagnetic CrI$_3$ twisted homo-bilayers, which are characterized by a staggered octahedral chirality in each monolayer. Using symmetry analysis, density functional theory and tight-binding model calculations we show that layers twisting can lower the structural and magnetic point-group symmetries, thus activating pyroelectricity and the magneto-optical Kerr effect, which would otherwise be absent in untwisted antiferromagnetic homo-bilayers. Interestingly, both electric polarization and Kerr angle are controllable by the twist angle and their sign is reversed when switching from left- to right-twisted bilayers. We further unveil the occurrence of unconventional vortices with spin textures that alternate opposite chiralities in momentum space. These findings demonstrate that the interplay between twisting and octahedral chirality in magnetic bilayers and related van der Waals heterostructures represents an extraordinary resource for tailoring their physical properties for spintronic and optoelectronic applications.
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