北京理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)在二維共線磁體的分類和反常輸運(yùn)性質(zhì)的研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期:2025-07-17 供稿:物理學(xué)院 攝影:物理學(xué)院
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近日,北京理工大學(xué)物理學(xué)院馮萬(wàn)祥教授、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)在磁性材料及其反常輸運(yùn)性質(zhì)的研究中取得重要進(jìn)展。他們?cè)诙S共線磁體中發(fā)現(xiàn)一種新的磁相:在非相對(duì)論極限下能帶保持自旋簡(jiǎn)并,而引入自旋軌道耦合后可出現(xiàn)反?;魻栃?yīng),且可由自旋中性流驅(qū)動(dòng),并伴隨全動(dòng)量空間的 persistent spin texture。這是一類區(qū)別于鐵磁、反鐵磁和交錯(cuò)磁的第四類共線磁相。該工作以“Anomalous Hall Effect in Type IV 2D Collinear Magnets”為題發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》。北京理工大學(xué)為該工作的唯一完成單位,馮萬(wàn)祥教授和姚裕貴教授為論文的共同通訊作者,博士生白羚為論文的第一作者,張閏午特別研究員為論文的共同作者。該工作得到科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
在磁性材料中,原子間的交換相互作用決定了自旋磁矩的排列方式,進(jìn)而形成兩種主要的磁有序形態(tài):鐵磁體和反鐵磁體。反鐵磁體因其無(wú)雜散磁場(chǎng)以及太赫茲量級(jí)的超快自旋動(dòng)力學(xué)等特性,被視為實(shí)現(xiàn)超高密度和超高速自旋電子學(xué)器件的理想平臺(tái),其性能有望超越傳統(tǒng)的、基于鐵磁體的自旋電子學(xué)器件。然而,反鐵磁體的補(bǔ)償磁化特性導(dǎo)致其磁序難以探測(cè)與調(diào)控,存在磁信號(hào)微弱、磁電響應(yīng)復(fù)雜等挑戰(zhàn)。為突破鐵磁體與反鐵磁體的局限性,研究者開始關(guān)注非常規(guī)磁體。交錯(cuò)磁體作為近年來(lái)提出的一種新型磁性態(tài),兼具鐵磁體與反鐵磁體的優(yōu)點(diǎn),為自旋電子學(xué)器件的發(fā)展提供了全新的可能性。
由于在器件集成中展現(xiàn)出優(yōu)異的可擴(kuò)展性、可調(diào)控性和良好的兼容性,二維磁性材料受到廣泛關(guān)注。自從在單層或少層結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的長(zhǎng)程磁有序以來(lái),研究者已迅速構(gòu)建了二維鐵磁體與反鐵磁體的材料數(shù)據(jù)庫(kù)。然而,受限于低維系統(tǒng)中更為嚴(yán)格的對(duì)稱性約束,至今僅有約20種二維交錯(cuò)磁材料被理論預(yù)測(cè),遠(yuǎn)少于三維體系(超過(guò)200個(gè)),且尚無(wú)實(shí)驗(yàn)證據(jù)予以支持。因此,迫切需要探索新的非常規(guī)二維磁性體系,以拓展高性能自旋電子器件的材料候選庫(kù),并提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的可能路徑。

圖1:二維共線磁體的分類。
北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于嚴(yán)格的自旋群理論分析,對(duì)二維共線磁體進(jìn)行了系統(tǒng)分類,首次提出區(qū)別于鐵磁、反鐵磁和交錯(cuò)磁的新型第四類磁體(圖1)。在非相對(duì)論極限下,由于[C2||C2z]或[C2||Mz]對(duì)稱性的保護(hù),該類磁體呈現(xiàn)出自旋簡(jiǎn)并的能帶結(jié)構(gòu);引入自旋軌道耦合后,盡管其凈磁化強(qiáng)度為零,仍可實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演對(duì)稱性破缺的響應(yīng),如反?;魻栃?yīng);打破了“共線磁體中產(chǎn)生反常霍爾效應(yīng)必須依賴非相對(duì)論能帶交換劈裂”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了識(shí)別此類磁體的對(duì)稱性判別準(zhǔn)則,并結(jié)合第一性原理計(jì)算,從二維材料數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出多個(gè)候選材料。以單層 Hf2S 為例,研究表明其在無(wú)自旋軌道耦合時(shí)能帶呈現(xiàn)自旋簡(jiǎn)并特征;而在引入自旋軌道耦合后,可以出現(xiàn)由自旋極化流乃至自旋中性流驅(qū)動(dòng)的反?;魻栃?yīng)(圖2),還伴隨一個(gè)受對(duì)稱性保護(hù)、覆蓋整個(gè)動(dòng)量空間的持久自旋紋理(persistent spin texture),展現(xiàn)出超長(zhǎng)的自旋壽命等優(yōu)異性質(zhì)。此外,研究團(tuán)隊(duì)還深入揭示了反常霍爾電導(dǎo)率的微觀機(jī)制。結(jié)果顯示,在空穴摻雜條件下,貝里曲率主要來(lái)源于交錯(cuò)階梯躍遷能帶之間的貢獻(xiàn)(圖3)。該研究不僅擴(kuò)展了二維共線磁體的分類體系,豐富了磁性物態(tài)的理論圖譜,也為在二維材料中實(shí)現(xiàn)非常規(guī)自旋電子學(xué)功能提供了新的思路和材料平臺(tái)。

圖2:(a) Hf2S的晶體結(jié)構(gòu);(b) 非相對(duì)論能帶;(c) sz投影的相對(duì)論能帶、自旋極化率p和反常霍爾電導(dǎo)率σxy。

圖3:(a) 自旋守恒、自旋翻轉(zhuǎn)及總的反?;魻栯妼?dǎo)率σxy;(b) P2處sz投影的費(fèi)米面及貝里曲率Ωxy;(c) 動(dòng)量空間Ba-Γ-Bb路徑上的非相對(duì)論和相對(duì)論能帶、以及P2處的貝里曲率Ωxy。
文章信息(*為通訊作者):Ling Bai, Run-Wu Zhang, Wanxiang Feng*, Yugui Yao*, “Anomalous Hall Effect in Type IV 2D Collinear Magnets”, Phys. Rev. Lett. 135, 036702 (2025).
文章鏈接:https://doi.org/10.1103/rn1l-d6cq
通訊作者簡(jiǎn)介:
馮萬(wàn)祥,北京理工大學(xué)長(zhǎng)聘教授、入選國(guó)家高層次青年人才計(jì)劃。從事量子功能材料及其反常輸運(yùn)性質(zhì)的理論和計(jì)算研究,在Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.等期刊發(fā)表62篇SCI論文,研究成果被國(guó)內(nèi)外同行正面評(píng)價(jià)和廣泛引用,引用14000余次,H指數(shù)33 (Google Scholar)。關(guān)于三維Z2拓?fù)浣^緣體、二維材料MoS2的自旋霍爾電導(dǎo)率和電子遷移率、反鐵磁中可存在磁光、拓?fù)浯殴狻⒎闯;魻柡头闯D芩固匦?yīng)等多項(xiàng)理論預(yù)言被實(shí)驗(yàn)證實(shí),部分成果被寫入國(guó)外物理學(xué)研究生教材和多本學(xué)術(shù)專著。主持國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目3項(xiàng)、中德合作項(xiàng)目1項(xiàng),參與科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃2項(xiàng)、973計(jì)劃1項(xiàng)。獲2016年德國(guó)洪堡學(xué)者、2018年國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(3/3)、2020年中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)計(jì)算材料學(xué)青年獎(jiǎng)(每年評(píng)選1~2人)、2022年教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)(3/5)、2022年北京理工大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師、2022年北京高校優(yōu)秀本科育人團(tuán)隊(duì)、2024年北京理工大學(xué)優(yōu)秀教育教學(xué)成果一等獎(jiǎng)(5/15)?,F(xiàn)擔(dān)任中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)計(jì)算材料學(xué)分會(huì)委員、中國(guó)核學(xué)會(huì)計(jì)算物理學(xué)分會(huì)理事、北京理工大學(xué)黨外知識(shí)分子聯(lián)誼會(huì)理事。
姚裕貴,北京理工大學(xué)杰出教授、3次入選國(guó)家高層次領(lǐng)軍人才計(jì)劃,享受政府特貼,先進(jìn)光電量子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、物理學(xué)院院長(zhǎng)。發(fā)表論文360余篇,包括Nature及子刊(31篇)、47篇PRL/X,引用36500余次,7篇論文單篇引用超過(guò)1000 次,H指數(shù)89 (Google Scholar)。在反常輸運(yùn)、二維量子材料、拓?fù)淞孔硬牧吓c物性、含能材料檢測(cè)等領(lǐng)域做出了突出性貢獻(xiàn),具有重要國(guó)際影響,連續(xù)7年入選科睿唯安全球高被引學(xué)者。主持基金委創(chuàng)新研究群體、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目。當(dāng)選美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士、獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)、教育部自然科學(xué)獎(jiǎng)、北京市自然科學(xué)獎(jiǎng)、首屆北京市先進(jìn)科研工作者、北京市有突出貢獻(xiàn)的科學(xué)、技術(shù)、管理人才、北京最美科技工作者、中科院杰出科技成就獎(jiǎng)、北京市優(yōu)秀研究生導(dǎo)師等。
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