姚裕贵、冯万祥教授团队在交错磁体晶体热输运性质的研究中取得重要进展

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近日，北京理工大学物理学院姚裕贵、冯万祥教授团队在交错磁体的研究中取得重要进展，发现了由晶体时间反演对称性破缺导致的晶体热输运现象。该工作以“Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2”为题发表于国际顶级期刊《Physical Review Letters》，并被选为编辑推荐(Editors' Suggestion)。
        磁性是固体物理学中一个古老且迷人的议题，有着极其丰富的物理内容和不断涌现的新问题。在磁性材料中，由于原子之间的交换相互作用，自旋磁矩平行或反平行排列，形成最常见的铁磁体和反铁磁体，已被人们知晓并研究了一个世纪之久。在过去的二十年里，人们开始探索非共线磁体的奇妙世界，包括自旋螺旋、斯格明子和自旋冰等。然而，非共线磁体的磁结构过于复杂且在外场下通常不能稳定存在，不利于在自旋电子学器件等方面的实际应用。最近，研究人员发现了一种新的共线磁体，即交错磁体(altermagnet)。交错磁体具有铁磁体和反铁磁体的二象性：一方面，它类似于反铁磁体，净磁化强度为零；另一方面，它类似于铁磁体，存在非相对论自旋劈裂。尽管交错磁性被发现不久，却逐渐成为磁性材料领域的研究热点。
         二氧化钌(RuO2)是一种典型的交错磁体（图1）。原胞内两个磁性Ru原子具有反平行的自旋磁矩，非磁性O原子围绕Ru原子形成八面体结构。若只考虑Ru原子，则存在PT和Tt对称操作（P：空间反演，T：时间反演，t：1/2晶格平移），能带为自旋二度简并；非磁性O原子可以破坏PT和Tt对称操作，使能带发生非相对论自旋劈裂。RuO2具有共线反平行磁序，净磁化强度为零，但其能带发生自旋劈裂。由于晶体中所有原子的参与，导致PT和Tt对称性被破坏，被称为“晶体”时间反演对称性破缺。在交错磁体RuO2中，已有理论和实验工作报道了晶体霍尔效应、晶体磁光效应和隧穿磁阻等新奇物性。
北京理工大学研究团队发现交错磁体RuO2存在极强的晶体热输运现象（图2）。随着奈尔矢量方向的变化，晶体能斯特效应和晶体热霍尔效应呈现显著的各向异性。通过细致分析发现，晶体热输运起源于三种物理机制：外尔赝节线、交错赝节面、交错阶梯跃迁。外尔节线由相同自旋的两条能带形成，考虑自旋轨道耦合之后会打开能隙；交错节面由相反自旋的两条能带形成，在布里渊区特定平面上简并，考虑自旋轨道耦合之后也会打开能隙；交错阶梯跃迁由相反自旋的两条相互平行的能带形成，与自旋轨道耦合无关。三种物理机制都会产生较大的贝里曲率，但是后两种机制是交错磁体中所独有的，对晶体热输运起主导作用。此外，受拓扑节线能带的影响，反常Wiedemann-Franz定律可以维持在150 K以下，打破了通常铁磁体只在零温极限下才成立的常识。该研究工作揭示了交错磁体特有的晶体热输运现象，为实现自旋卡诺电子学器件提供了新的材料平台。

图1：(a-b) 交错磁体RuO2的晶体结构和磁结构；(c-d) 交错磁体RuO2在倒空间的自旋极化费米面和在实空间的自旋极化电荷密度。

         北京理工大学为该工作的第一完成单位。北京理工大学物理学院的冯万祥教授、姚裕贵教授为论文的共同通讯作者，周小东博士（2022年校优博、徐特立奖学金获得者）为论文的第一作者，张闰午特别研究员为论文的共同作者。参与该研究工作的还有德国美因茨大学的Libor Šmejkal博士、Jairo Sinova教授，以及德国于利希研究中心的Yuriy Mokrousov教授。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。
        文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.056701
        文章信息（*为通讯作者）：Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng*, Run-Wu Zhang, Libor Šmejkal, Jairo Sinova, Yuriy Mokrousov, and Yugui Yao*, “Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2”, Phys. Rev. Lett. (Editors' Suggestion) 132, 056701 (2024).
         附通讯作者简介：
        冯万祥，北京理工大学长聘教授、入选国家高层次青年人才计划。从事拓扑量子材料及其磁输运性质的理论和计算研究，在Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.等期刊发表50余篇论文，研究成果被国内外同行正面评价和广泛引用，总计他引8000余次（Web of Science），H因子28。关于三维Z2拓扑绝缘体、二维材料MoS2的自旋霍尔电导率和电子迁移率、反铁磁中可存在磁光效应的4项理论预言已被国内外多个实验课题组分别独立证实。主持国家自然科学基金面上项目3项、中德合作项目1项、科技部重点研发计划子课题2项、科技部973计划子课题1项。获2016年德国洪堡学者、2018年国家自然科学二等奖（3/3）、2020年中国材料研究学会计算材料学奖青年奖、2022年教育部自然科学二等奖（3/5）、2022年北京理工大学优秀博士学位论文指导教师、2022年北京高校优秀本科育人团队。担任中国材料研究学会计算材料学分会委员、中国核学会计算物理学分会理事。
        姚裕贵，北京理工大学杰出教授、3次入选国家高层次领军人才计划，享受政府特贴，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任、物理学院院长。发表SCI论文290余篇（含38篇PRL/X、20篇Nature及子刊），在反常输运、二维量子材料、拓扑量子材料与物性、含能材料检测等科技领域做出了突出性贡献，具有重要国际影响，共被引2万2千次，10篇超过500次，连续6年入选科睿唯安“全球高被引科学家”名单。先后主持国家重点研发计划、国家基金委重点项目、国家自然基金创新研究群体项目等。曾获国家自然科学奖、教育部自然科学奖、中国科学院杰出科技成就奖、北京市自然科学奖、美国物理学会会士、首届北京市先进科研工作者、北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才、北京最美科技工作者、北京市优秀研究生导师等。现担任教育部物理学类专业教学指导委员会委员、中国材料研究学会计算材料学分会副秘书长、中国物理学会凝聚态计算专业委员会委员、科普工作委员会副主任、多个国际SCI期刊编委等。
         文章来源：北京理工大学