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2024年1月29日，Phys. Rev. Lett.在線發(fā)表了北京理工大學(xué)物理學(xué)院姚裕貴教授和馮萬祥教授課題組的研究論文，題目為《Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO₂》，并被選為編輯推薦（Editors’ Suggestion）。

(純計(jì)算)北京理工大學(xué)姚裕貴/馮萬祥團(tuán)隊(duì)Phys. Rev. Lett.: 交錯磁體RuO2中的晶體熱輸運(yùn)

磁性是固體物理學(xué)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(jì)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(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(qiáng)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(diǎn)。

二氧化釕（RuO₂）是一種典型的交錯磁體，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Tτ對稱操作（P：空間反演，T：時間反演，τ：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Tτ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(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Tτ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(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)交錯磁體RuO₂存在極強(qiáng)的晶體熱輸運(yùn)現(xiàn)象。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(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(jī)制都會產(chǎn)生較大的貝里曲率，但是后兩種機(jī)制是交錯磁體中所獨(dú)有的，對晶體熱輸運(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。該研究工作揭示了交錯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。

(純計(jì)算)北京理工大學(xué)姚裕貴/馮萬祥團(tuán)隊(duì)Phys. Rev. Lett.: 交錯磁體RuO2中的晶體熱輸運(yùn)

圖1?(a-b) [110]和[001]取向RuO₂薄膜中反常能斯特和反常熱霍爾效應(yīng)的示意圖；(c-d) 交錯磁體RuO₂的晶體結(jié)構(gòu)和磁結(jié)構(gòu)；(e-f) 交錯磁體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-c) T=300 K時反?；魻栯妼?dǎo)率σ、反常能斯特電導(dǎo)率α和反常熱霍爾電導(dǎo)率κ的分量隨極角θ的變化；(d) 交錯磁體RuO₂的能帶結(jié)構(gòu)；(e-g) RuO₂的σ、α和κ隨溫度的變化

圖3 (a-c) 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、交錯贗節(jié)面、交錯階梯躍遷；(d) 拓?fù)涔?jié)線和Weyl點(diǎn)的動量和能量分布；(e) (001)平面上的相對論費(fèi)米面和Berry曲率Ω_zx；(f)與(e)相似，但對于反常能斯特電導(dǎo)率α_zx；(g-h) 總σ_zx和α_zx及其自旋守恒部分(↑↑+↓↓)和自旋翻轉(zhuǎn)部分(↑↓)的分解

圖4 不同費(fèi)米能級位置處反?；魻栯妼?dǎo)率σ、反常熱霍爾電導(dǎo)率κ和反常輸運(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(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美因茨大學(xué)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

【論文鏈接】

Zhou, X., Feng, W., Zhang, R. et al. Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO₂. Phys. Rev. Lett., 2024, 132, 056701. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.056701

【通訊作者簡介】

馮萬祥，北京理工大學(xué)長聘教授、入選國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，研究成果被國內(nèi)外同行正面評價(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)言已被國內(nèi)外多個實(shí)驗(yàn)課題組分別獨(dú)立證實(shí)。主持國家自然科學(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年德國洪堡學(xué)者、2018年國家自然科學(xué)二等獎（3/3）、2020年中國材料研究學(xué)會計(jì)算材料學(xué)獎青年獎、2022年教育部自然科學(xué)二等獎（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)任中國材料研究學(xué)會計(jì)算材料學(xué)分會委員、中國核學(xué)會計(jì)算物理學(xué)分會理事。

姚裕貴，北京理工大學(xué)杰出教授、3次入選國家高層次領(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)與測量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、物理學(xué)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(yùn)、二維量子材料、拓?fù)淞孔硬牧吓c物性、含能材料檢測等科技領(lǐng)域做出了突出性貢獻(xiàn)，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(xué)家”名單。先后主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目、KGJXXX專項(xiàng)等。曾獲國家自然科學(xué)獎、教育部自然科學(xué)獎、中國科學(xué)院杰出科技成就獎、北京市自然科學(xué)獎、美國物理學(xué)會會士、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)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員、中國材料研究學(xué)會計(jì)算材料學(xué)分會副秘書長、中國物理學(xué)會凝聚態(tài)計(jì)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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