北理工團(tuán)隊(duì)在交錯(cuò)磁體晶體熱輸運(yùn)性質(zhì)的研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2024-01-30 供稿：物理學(xué)院 攝影：物理學(xué)院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴,、馮萬(wàn)祥教授團(tuán)隊(duì)在交錯(cuò)磁體的研究中取得重要進(jìn)展,，發(fā)現(xiàn)了由晶體時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性破缺導(dǎo)致的晶體熱輸運(yùn)現(xiàn)象,。該工作以“Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2”為題發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》,，并被選為編輯推薦(Editors' Suggestion)。
磁性是固體物理學(xué)中一個(gè)古老且迷人的議題,，有著極其豐富的物理內(nèi)容和不斷涌現(xiàn)的新問(wèn)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(jiàn)的鐵磁體和反鐵磁體，已被人們知曉并研究了一個(gè)世紀(jì)之久,。在過(guò)去的二十年里,，人們開(kāi)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(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜且在外場(chǎng)下通常不能穩(wěn)定存在,，不利于在自旋電子學(xué)器件等方面的實(shí)際應(yīng)用。最近,，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新的共線磁體,，即交錯(cuò)磁體(altermagnet)。交錯(cuò)磁體具有鐵磁體和反鐵磁體的二象性：一方面,，它類(lèi)似于反鐵磁體,，凈磁化強(qiáng)度為零；另一方面,，它類(lèi)似于鐵磁體,，存在非相對(duì)論自旋劈裂。盡管交錯(cuò)磁性被發(fā)現(xiàn)不久,，卻逐漸成為磁性材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),。
二氧化釕(RuO2)是一種典型的交錯(cuò)磁體（圖1）。原胞內(nèi)兩個(gè)磁性Ru原子具有反平行的自旋磁矩,，非磁性O(shè)原子圍繞Ru原子形成八面體結(jié)構(gòu),。若只考慮Ru原子，則存在PT和Tt對(duì)稱(chēng)操作（P：空間反演,，T：時(shí)間反演,，t：1/2晶格平移），能帶為自旋二度簡(jiǎn)并,；非磁性O(shè)原子可以破壞PT和Tt對(duì)稱(chēng)操作,，使能帶發(fā)生非相對(duì)論自旋劈裂。RuO2具有共線反平行磁序,，凈磁化強(qiáng)度為零,，但其能帶發(fā)生自旋劈裂。由于晶體中所有原子的參與，導(dǎo)致PT和Tt對(duì)稱(chēng)性被破壞,，被稱(chēng)為“晶體”時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性破缺,。在交錯(cuò)磁體RuO2中，已有理論和實(shí)驗(yàn)工作報(bào)道了晶體霍爾效應(yīng),、晶體磁光效應(yīng)和隧穿磁阻等新奇物性,。
北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)交錯(cuò)磁體RuO2存在極強(qiáng)的晶體熱輸運(yùn)現(xiàn)象（圖2）。隨著奈爾矢量方向的變化,，晶體能斯特效應(yīng)和晶體熱霍爾效應(yīng)呈現(xiàn)顯著的各向異性,。通過(guò)細(xì)致分析發(fā)現(xiàn)，晶體熱輸運(yùn)起源于三種物理機(jī)制：外爾贗節(jié)線,、交錯(cuò)贗節(jié)面,、交錯(cuò)階梯躍遷。外爾節(jié)線由相同自旋的兩條能帶形成,，考慮自旋軌道耦合之后會(huì)打開(kāi)能隙,；交錯(cuò)節(jié)面由相反自旋的兩條能帶形成，在布里淵區(qū)特定平面上簡(jiǎn)并,，考慮自旋軌道耦合之后也會(huì)打開(kāi)能隙,；交錯(cuò)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(wú)關(guān),。三種物理機(jī)制都會(huì)產(chǎn)生較大的貝里曲率,，但是后兩種機(jī)制是交錯(cuò)磁體中所獨(dú)有的，對(duì)晶體熱輸運(yùn)起主導(dǎo)作用,。此外,，受拓?fù)涔?jié)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(shí),。該研究工作揭示了交錯(cuò)磁體特有的晶體熱輸運(yùn)現(xiàn)象，為實(shí)現(xiàn)自旋卡諾電子學(xué)器件提供了新的材料平臺(tái),。
圖1：(a-b) 交錯(cuò)磁體RuO2的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu),；(c-d) 交錯(cuò)磁體RuO2在倒空間的自旋極化費(fèi)米面和在實(shí)空間的自旋極化電荷密度。
圖2：(a) 交錯(cuò)磁體RuO2的能帶結(jié)構(gòu),；(b-d) RuO2的晶體霍爾電導(dǎo)率,、晶體能斯特電導(dǎo)率和晶體熱霍爾電導(dǎo)率隨溫度的變化；(e-g) 導(dǎo)致晶體熱輸運(yùn)現(xiàn)象的三種物理機(jī)制：外爾贗節(jié)線,、交錯(cuò)贗節(jié)面,、交錯(cuò)階梯躍遷；(h) 不同費(fèi)米能級(jí)位置處反常輸運(yùn)洛倫茲比率隨溫度的變化,。
北京理工大學(xué)為該工作的第一完成單位,。北京理工大學(xué)物理學(xué)院的馮萬(wàn)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(yōu)博,、徐特立獎(jiǎng)學(xué)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(guó)美因茨大學(xué)的Libor ?mejkal博士,、Jairo Sinova教授,，以及德國(guó)于利希研究中心的Yuriy Mokrousov教授。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,。
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(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,。從事拓?fù)淞孔硬牧霞捌浯泡斶\(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50余篇論文,，研究成果被國(guó)內(nèi)外同行正面評(píng)價(jià)和廣泛引用，總計(jì)他引8000余次（Web of Science）,，H因子28。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效應(yīng)的4項(xiàng)理論預(yù)言已被國(guó)內(nèi)外多個(gè)實(shí)驗(yàn)課題組分別獨(dú)立證實(shí)。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),、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題2項(xiàng)、科技部973計(jì)劃子課題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)獎(jiǎng)青年獎(jiǎng),、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),。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。
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SCI論文290余篇（含38篇PRL/X、20篇Nature及子刊）,，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)等科技領(lǐng)域做出了突出性貢獻(xiàn),，具有重要國(guó)際影響，共被引2萬(wàn)2千次,，10篇超過(guò)500次,，連續(xù)6年入選科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”名單。先后主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃,、國(guó)家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目,、國(guó)家自然基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目等。曾獲國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng),、教育部自然科學(xué)獎(jiǎng),、中國(guó)科學(xué)院杰出科技成就獎(jiǎng)、北京市自然科學(xué)獎(jiǎng),、美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)士,、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,、北京市優(yōu)秀研究生導(dǎo)師等?，F(xiàn)擔(dān)任教育部物理學(xué)類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員、中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)計(jì)算材料學(xué)分會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng),、中國(guó)物理學(xué)會(huì)凝聚態(tài)計(jì)算專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員,、科普工作委員會(huì)副主任、多個(gè)國(guó)際SCI期刊編委等,。
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