北理工團隊在交錯磁體晶體熱輸運性質的研究中取得重要進展
發布日期：2024-01-30 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
近日，北京理工大學物理學院姚裕貴、馮萬祥教授團隊在交錯磁體的研究中取得重要進展，發現了由晶體時間反演對稱性破缺導致的晶體熱輸運現象。該工作以“Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2”為題發表于國際頂級期刊《Physical Review Letters》，并被選為編輯推薦(Editors' Suggestion)。
磁性是固體物理學中一個古老且迷人的議題，有著極其豐富的物理內容和不斷涌現的新問題。在磁性材料中，由于原子之間的交換相互作用，自旋磁矩平行或反平行排列，形成最常見的鐵磁體和反鐵磁體，已被人們知曉并研究了一個世紀之久。在過去的二十年里，人們開始探索非共線磁體的奇妙世界，包括自旋螺旋、斯格明子和自旋冰等。然而，非共線磁體的磁結構過于復雜且在外場下通常不能穩定存在，不利于在自旋電子學器件等方面的實際應用。最近，研究人員發現了一種新的共線磁體，即交錯磁體(altermagnet)。交錯磁體具有鐵磁體和反鐵磁體的二象性：一方面，它類似于反鐵磁體，凈磁化強度為零；另一方面，它類似于鐵磁體，存在非相對論自旋劈裂。盡管交錯磁性被發現不久，卻逐漸成為磁性材料領域的研究熱點。
二氧化釕(RuO2)是一種典型的交錯磁體（圖1）。原胞內兩個磁性Ru原子具有反平行的自旋磁矩，非磁性O原子圍繞Ru原子形成八面體結構。若只考慮Ru原子，則存在PT和Tt對稱操作（P：空間反演，T：時間反演，t：1/2晶格平移），能帶為自旋二度簡并；非磁性O原子可以破壞PT和Tt對稱操作，使能帶發生非相對論自旋劈裂。RuO2具有共線反平行磁序，凈磁化強度為零，但其能帶發生自旋劈裂。由于晶體中所有原子的參與，導致PT和Tt對稱性被破壞，被稱為“晶體”時間反演對稱性破缺。在交錯磁體RuO2中，已有理論和實驗工作報道了晶體霍爾效應、晶體磁光效應和隧穿磁阻等新奇物性。
北京理工大學研究團隊發現交錯磁體RuO2存在極強的晶體熱輸運現象（圖2）。隨著奈爾矢量方向的變化，晶體能斯特效應和晶體熱霍爾效應呈現顯著的各向異性。通過細致分析發現，晶體熱輸運起源于三種物理機制：外爾贗節線、交錯贗節面、交錯階梯躍遷。外爾節線由相同自旋的兩條能帶形成，考慮自旋軌道耦合之后會打開能隙；交錯節面由相反自旋的兩條能帶形成，在布里淵區特定平面上簡并，考慮自旋軌道耦合之后也會打開能隙；交錯階梯躍遷由相反自旋的兩條相互平行的能帶形成，與自旋軌道耦合無關。三種物理機制都會產生較大的貝里曲率，但是后兩種機制是交錯磁體中所獨有的，對晶體熱輸運起主導作用。此外，受拓撲節線能帶的影響，反常Wiedemann-Franz定律可以維持在150 K以下，打破了通常鐵磁體只在零溫極限下才成立的常識。該研究工作揭示了交錯磁體特有的晶體熱輸運現象，為實現自旋卡諾電子學器件提供了新的材料平臺。
圖1：(a-b) 交錯磁體RuO2的晶體結構和磁結構；(c-d) 交錯磁體RuO2在倒空間的自旋極化費米面和在實空間的自旋極化電荷密度。
圖2：(a) 交錯磁體RuO2的能帶結構；(b-d) RuO2的晶體霍爾電導率、晶體能斯特電導率和晶體熱霍爾電導率隨溫度的變化；(e-g) 導致晶體熱輸運現象的三種物理機制：外爾贗節線、交錯贗節面、交錯階梯躍遷；(h) 不同費米能級位置處反常輸運洛倫茲比率隨溫度的變化。
北京理工大學為該工作的第一完成單位。北京理工大學物理學院的馮萬祥教授、姚裕貴教授為論文的共同通訊作者，周小東博士（2022年校優博、徐特立獎學金獲得者）為論文的第一作者，張閏午特別研究員為論文的共同作者。參與該研究工作的還有德國美因茨大學的Libor ?mejkal博士、Jairo Sinova教授，以及德國于利希研究中心的Yuriy Mokrousov教授。該工作得到科技部重點研發計劃和國家自然科學基金等項目的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.056701
文章信息（*為通訊作者）：Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng*, Run-Wu Zhang, Libor ?mejkal, Jairo Sinova, Yuriy Mokrousov, and Yugui Yao*, “Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2”, Phys. Rev. Lett. (Editors' Suggestion) 132, 056701 (2024).
附通訊作者簡介：
馮萬祥，北京理工大學長聘教授、入選國家高層次青年人才計劃。從事拓撲量子材料及其磁輸運性質的理論和計算研究，在Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.等期刊發表50余篇論文，研究成果被國內外同行正面評價和廣泛引用，總計他引8000余次（Web of Science），H因子28。關于三維Z2拓撲絕緣體、二維材料MoS2的自旋霍爾電導率和電子遷移率、反鐵磁中可存在磁光效應的4項理論預言已被國內外多個實驗課題組分別獨立證實。主持國家自然科學基金面上項目3項、中德合作項目1項、科技部重點研發計劃子課題2項、科技部973計劃子課題1項。獲2016年德國洪堡學者、2018年國家自然科學二等獎（3/3）、2020年中國材料研究學會計算材料學獎青年獎、2022年教育部自然科學二等獎（3/5）、2022年北京理工大學優秀博士學位論文指導教師、2022年北京高校優秀本科育人團隊。擔任中國材料研究學會計算材料學分會委員、中國核學會計算物理學分會理事。
姚裕貴，北京理工大學杰出教授、3次入選國家高層次領軍人才計劃，享受政府特貼，先進光電量子結構設計與測量教育部重點實驗室主任、物理學院院長。發表SCI論文290余篇（含38篇PRL/X、20篇Nature及子刊），在反常輸運、二維量子材料、拓撲量子材料與物性、含能材料檢測等科技領域做出了突出性貢獻，具有重要國際影響，共被引2萬2千次，10篇超過500次，連續6年入選科睿唯安“全球高被引科學家”名單。先后主持國家重點研發計劃、國家基金委重點項目、國家自然基金創新研究群體項目等。曾獲國家自然科學獎、教育部自然科學獎、中國科學院杰出科技成就獎、北京市自然科學獎、美國物理學會會士、首屆北京市先進科研工作者、北京市有突出貢獻的科學、技術、管理人才、北京最美科技工作者、北京市優秀研究生導師等?，F擔任教育部物理學類專業教學指導委員會委員、中國材料研究學會計算材料學分會副秘書長、中國物理學會凝聚態計算專業委員會委員、科普工作委員會副主任、多個國際SCI期刊編委等。
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