北理工團隊在交錯磁體晶體熱輸運性質(zhì)的研究中取得重要進展
發(fā)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(shù)：
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(fā)現(xiàn)了由晶體時間反演對稱性破缺導致的晶體熱輸運現(xiàn)象,。該工作以“Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO2”為題發(fā)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(nèi)容和不斷涌現(xiàn)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(jié)構(gòu)過于復(fù)雜且在外場下通常不能穩(wěn)定存在,，不利于在自旋電子學器件等方面的實際應(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(fā)現(xiàn)不久,，卻逐漸成為磁性材料領(lǐng)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(nèi)兩個磁性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(shè)原子可以破壞PT和Tt對稱操作,，使能帶發(fā)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(fā)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(yīng),、晶體磁光效應(yīng)和隧穿磁阻等新奇物性,。
北京理工大學研究團隊發(fā)現(xiàn)交錯磁體RuO2存在極強的晶體熱輸運現(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,。通過細致分析發(fā)現(xiàn)，晶體熱輸運起源于三種物理機制：外爾贗節(jié)線,、交錯贗節(jié)面,、交錯階梯躍遷。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打開能隙,；交錯節(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(guān),。三種物理機制都會產(chǎn)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(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,。該研究工作揭示了交錯磁體特有的晶體熱輸運現(xiàn)象，為實現(xiàn)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(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu),；(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(jié)構(gòu)；(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(xiàn)象的三種物理機制：外爾贗節(jié)線、交錯贗節(jié)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(yōu)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(fā)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(zhì)的理論和計算研究,，在Nature子刊、Phys. Rev. Lett.,、Nano Lett.等期刊發(fā)表50余篇論文,，研究成果被國內(nèi)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(guān)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(yīng)的4項理論預(yù)言已被國內(nèi)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(fā)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(yōu)秀博士學位論文指導教師,、2022年北京高校優(yōu)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(lǐng)軍人才計劃,，享受政府特貼，先進光電量子結(jié)構(gòu)設(shè)計與測量教育部重點實驗室主任,、物理學院院長,。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,、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(lǐng)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(xù)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(fā)計劃,、國家基金委重點項目,、國家自然基金創(chuàng)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(shù),、管理人才、北京最美科技工作者,、北京市優(yōu)秀研究生導師等?，F(xiàn)擔任教育部物理學類專業(yè)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(tài)計算專業(yè)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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