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Nano Lett. | 南京航空航天大学:二维体系的跨态交变磁性

2026-02-14 03:46:07

英文原题：Cross-State Alternating Magnetism in Two-Dimensional Systems

作者：Xiaokai Chen (陈晓凯), Xiaoyu Xuan (轩啸宇), Wanlin Guo (郭万林), Zhuhua Zhang (张助华)

摘要图

背景介绍

在自旋电子学中，除了利用电子的“电荷”属性，还可利用“自旋“属性来存储和传递信息。实现这一目标的关键，在于材料能否为不同自旋取向的电子提供可分辨的量子通道。从能带角度看，这体现为动量空间中自旋能带的非简并分布，即所谓的动量依赖自旋极化（moment-dependent spin polarization, MDSP）。

铁磁体通常具有显著的MDSP，但其磁畴产生的杂散场容易串扰，限制了高密度集成；传统反铁磁体虽无净磁矩、抗干扰能力强，却因存在宇称-时间联合反演（PT）对称性，抑制了MDSP的出现。近年来，交变磁体（altermagnet, AM）和完全补偿亚铁磁体（fully compensated ferrimagnet, fFIM）等零净磁矩体系受到了广泛的关注。这些非传统的反铁磁体系通过破缺PT对称性，解除自旋简并，为发展反铁磁自旋电子学带来了新机遇。

实现MDSP的可控切换，是构建自旋逻辑器件的关键。对于反铁磁体系，一种直接策略是翻转磁矩奈尔矢量；但由于其净磁矩为零、对外磁场响应微弱且内部交换作用强，磁矩翻转通常能耗高、难度大。另一类路径是借助磁序与其他自由度（如铁电、应变、堆垛等）的耦合，通过电场、应力或滑移等非磁性手段调控MDSP。目前，报道的手段包括磁电耦合、自旋-层耦合、堆垛-铁谷耦合、压磁效应，以及基于(反)铁电、滑移、铁弹交变磁体的调控等。然而，这些方案多依赖特定材料平台，彼此之间缺乏普适联系，尚未形成一个能统一描述并指导材料设计的通用理论框架，制约了MDSP调控从“个例发现”迈向“按需设计”的跨越。

图1. 交变磁性与跨态交变磁性的比较

文章亮点

近日，南京航空航天大学郭万林教授团队张助华课题组在Nano Letters上发表了题为“二维体系的跨态交变磁性”的研究工作。文章从对称性视角提出“跨态交变磁性（cross-state alternating magnetism, cs-AM）”的新理论框架：当一个反铁磁体系存在两个可通过实空间对称操作相互关联的物理状态时，这种跨态关联会在动量空间中协变地诱导出自旋极化结构的确定性切换。该物理图像类比于交变磁体，后者是在单一物理态下将实空间交替的自旋排列映射至动量空间交变的自旋极化；cs-AM则将这种对称关联从单态拓展至跨态。由此，可通过非磁性手段调控体系的序参量，可预测地切换MDSP的符号或分布模式，无需翻转磁矩排列。这为低功耗、多功能的反铁磁自旋器件提供了直观且普适的设计准则。

图2. 两个演示跨态交变磁性的紧束缚模型

cs-AM 框架不依赖于自旋极化的微观起源，为体现这一点，文中构建了两类紧束缚模型：其一为具有完全补偿亚铁磁性的菱方双层体系，呈现谷自旋极化；其二为四方反铁磁单层，在垂直电场作用下破缺PT 对称性，诱导出交变磁性。二者分别以层间滑移和外场反转的非磁手段调控MDSP。通过不同物理态下哈密顿量求解所得的能带，均呈现与实空间跨态对称关联的协变性。

图3. 跨态交变磁性的体系设计

基于cs-AM的设计准则，文章通过第一性原理计算提出两类材料示例：在Lu₃N₂O₂双层中，两种堆垛态可通过层间滑移切换，跨态对称关联[C₂||M_zt]保证了费米能级附近的半金属性自旋通道在两态间发生符号反转；在Cr₂SeO双层中，垂直电场打破体系的PT对称性，在X/Y谷形成自旋-谷锁定，而电场反向则驱动体系切换至由[C₂||M_zt]关联的伙伴态，实现自旋-谷锁定关系的反转。

图4. CuCrP₂S₆双层结构中的级联多态跨态交变磁性

更进一步，cs-AM 可通过引入保持跨态对称性的非磁自由度，由二态自然扩展为多态。文章由此提出“级联cs-AM”概念：若从初始产生cs-AM的两个状态出发，新生成的物理态仍继承同一跨态对称关系，则可逐级派生出一系列新的 cs-AM 状态对，对应不同的交变MDSP构型。以 CuCrP₂S₆ 反平行双层为例，堆垛序 (AB’/BA’)与层内反铁电-铁电序的协同切换，构建出多级物理态；在外场驱动下，体系形成 (I, II)、(I-1, II-1)、(I-2, II-2) 等级联系列，清晰展示了反铁磁体系MDSP的多状态调控能力。

总结/展望

文章建立了一个以跨态对称性为核心的统一理论框架cs-AM，将实空间与动量空间中交变的自旋极化从单一物理态拓展到不同可切换态之间，从而为零净磁矩体系中 MDSP的非磁性调控（如铁电极化、外电场、层间堆垛、晶格应变、铁弹性等）提供了清晰且可操作的对称性判据。cs-AM不仅能统一解释多铁性或多序参量耦合体系中已有的MDSP调控现象，更可为面向自旋阀等器件的材料与结构设计打下了理论基础。MDSP的级联式调控催生出多状态cs-AM，为突破传统二值自旋逻辑、迈向多态可编程自旋电子学开辟了新路径。

相关论文发表在Nano Letters上，南京航空航天大学博士生陈晓凯为第一作者，共同作者还包括南京航空航天大学轩啸宇博士。

通讯作者信息：

郭万林南京航空航天大学

郭万林，南京航空航天大学教授，航空航天结构力学及控制全国重点实验室主任，国际前沿科学研究院院长，中国力学学会副理事长、国际机械系统动力学学会副理事长。主要从事飞行器安全和智能化方面的力学理论和关键技术研究：建立了空天结构三维疲劳断裂理论，成果被系统地用于多种飞机型号和长征五号系列研制、排故，解决了型号工程急需。建立起低维材料结构力-电-磁-光-热耦合的物理力学理论体系，预测了低维材料结构巨电致伸缩等一系列智能特性并被实验证实、应用。发现了流-固界面双电层边界运动发电、气流发电和蒸发发电效应，提出水伏效应概念、拓展了经典双电层动电理论和无源传感技术，创立水伏学。在Science, Nature Nanotech.等国际一流学术刊物上发表SCI论文560余篇，成果获2012年度和2023年度国家自然科学二等奖。

张助华南京航空航天大学

张助华，现为南京航空航天大学人才工作办公室主任、人力资源部副部长；主要从事纳米功能材料力学、水伏科学与技术、航空航天结构材料及其力学设计等方面的研究，在Science、Nature Mater.等期刊发表学术论文180余篇，被SCI他引11000余次，2020-2025年连续进入中国高被引学者榜单，成果获2023年度国家自然科学二等奖(排3)。担任中国力学学会物理力学专业委员会副主任、江苏省力学学会和江苏省材料学会常务理事，Int J Smart Nano Mater副主编等。

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