中國科大提出二維方晶格交變磁體設計新方法
中國科學技術大學化學與材料科學學院、精準智能化學全國重點實驗室與合肥微尺度物質科學國家研究中心的理論與計算化學研究團隊武曉君研究組近日在交變磁體材料設計領域取得重要進展。該團隊通過系統研究二維方晶格材料的對稱性與磁序關系，建立了交變磁體（altermagnet）的普適性設計原則，并成功預測了一類具有顯著自旋分裂效應的金屬有機框架材料。相關研究成果以“Engineering Altermagnetic States in Two-Dimensional Square Lattices”為題，7月15日在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
交變磁體是一類具有零凈磁化強度但存在動量依賴自旋分裂的新型磁性材料，其獨特的對稱性保護特性為自旋電子學器件開發提供了新思路。然而，現有研究多集中于無機材料體系，對材料結構-性能關系的系統性認識仍存在不足。研究團隊從數學對稱性角度出發，針對二維方晶格材料建立了交變磁體的設計框架。
研究發現，交變磁態的實現需要滿足兩個核心條件：反平行自旋需占據Wyckoff位置多重度大于1的格點，同時磁空間群需滿足特定對稱性操作。基于這一理論認識，團隊確定了Lieb晶格、fes和tts三種典型網絡可作為交變磁體的設計模板。通過緊束縛模型分析，研究人員進一步揭示了不同網絡結構中自旋分裂的物理起源，發現fes網絡中自旋分裂沿k?/k?方向出現，而tts網絡中則沿k?±k?方向呈現二次型色散關系，這種差異源于晶格對稱性對哈密頓量中心對稱性的調控。
圖1.二維方晶格交變磁性材料旋轉對稱性與自旋分裂特征
在理論指導下，研究團隊以tts網絡為模板，設計出吡喃烯基金屬有機框架單層材料t-Cr?[Pyc-O?]。第一性原理計算表明，該材料具有185.44meV的自旋分裂能，這一數值接近Mn?Si?等典型交變磁體。特別值得注意的是，該材料通過d-π-π-d超交換作用實現了室溫穩定的交變磁序，展現出優異的實際應用潛力。
圖2. 吡喃烯基金屬有機框架單層材料t-Cr?[Pyc-O?]與電子能帶結構
該研究將數學幾何中的平面密鋪理論應用于磁性材料設計，為二維交變磁性材料的開發提供了普適性指導原則。所預測的金屬有機框架材料兼具結構可調性和溶液法制備優勢，為開發低成本自旋電子器件開辟了新途徑。
論文第一作者為合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學國家高層次人才培養中心博士生車沂軒，通訊作者為武曉君教授和呂海峰副研究員。此項工作得到了國家自然科學基金國家杰出青年科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1103/v38b-5by1
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