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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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中國科大提出二維方晶格交變磁體設(shè)計(jì)新方法
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中國科大提出二維方晶格交變磁體設(shè)計(jì)新方法 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、精準(zhǔn)智能化學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心的理論與計(jì)算化學(xué)研究團(tuán)隊(duì)武曉君研究組近日在交變磁體材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)研究二維方晶格材料的對稱性與磁序關(guān)系，建立了交變磁體（altermagnet）的普適性設(shè)計(jì)原則，并成功預(yù)測了一類具有顯著自旋分裂效應(yīng)的金屬有機(jī)框架材料。相關(guān)研究成果以“Engineering Altermagnetic States in Two-Dimensional Square Lattices”為題，7月15日在線發(fā)表于《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letters)。 交變磁體是一類具有零凈磁化強(qiáng)度但存在動(dòng)量依賴自旋分裂的新型磁性材料，其獨(dú)特的對稱性保護(hù)特性為自旋電子學(xué)器件開發(fā)提供了新思路。然而，現(xiàn)有研究多集中于無機(jī)材料體系，對材料結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)仍存在不足。研究團(tuán)隊(duì)從數(shù)學(xué)對稱性角度出發(fā)，針對二維方晶格材料建立了交變磁體的設(shè)計(jì)框架。 研究發(fā)現(xiàn)，交變磁態(tài)的實(shí)現(xiàn)需要滿足兩個(gè)核心條件：反平行自旋需占據(jù)Wyckoff位置多重度大于1的格點(diǎn)，同時(shí)磁空間群需滿足特定對稱性操作�；谶@一理論認(rèn)識(shí)，團(tuán)隊(duì)確定了Lieb晶格、fes和tts三種典型網(wǎng)絡(luò)可作為交變磁體的設(shè)計(jì)模板。通過緊束縛模型分析，研究人員進(jìn)一步揭示了不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中自旋分裂的物理起源，發(fā)現(xiàn)fes網(wǎng)絡(luò)中自旋分裂沿kₓ/kᵧ方向出現(xiàn)，而tts網(wǎng)絡(luò)中則沿kₓ±kᵧ方向呈現(xiàn)二次型色散關(guān)系，這種差異源于晶格對稱性對哈密頓量中心對稱性的調(diào)控。 圖1.二維方晶格交變磁性材料旋轉(zhuǎn)對稱性與自旋分裂特征 在理論指導(dǎo)下，研究團(tuán)隊(duì)以tts網(wǎng)絡(luò)為模板，設(shè)計(jì)出吡喃烯基金屬有機(jī)框架單層材料t-Cr₂[Pyc-O₈]。第一性原理計(jì)算表明，該材料具有185.44meV的自旋分裂能，這一數(shù)值接近Mn₅Si₃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(shí)現(xiàn)了室溫穩(wěn)定的交變磁序，展現(xiàn)出優(yōu)異的實(shí)際應(yīng)用潛力。 圖2. 吡喃烯基金屬有機(jī)框架單層材料t-Cr₂[Pyc-O₈]與電子能帶結(jié)構(gòu) 該研究將數(shù)學(xué)幾何中的平面密鋪理論應(yīng)用于磁性材料設(shè)計(jì)，為二維交變磁性材料的開發(fā)提供了普適性指導(dǎo)原則。所預(yù)測的金屬有機(jī)框架材料兼具結(jié)構(gòu)可調(diào)性和溶液法制備優(yōu)勢，為開發(fā)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(zhì)科學(xué)國家研究中心、化學(xué)國家高層次人才培養(yǎng)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(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金國家杰出青年科學(xué)基金、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等項(xiàng)目的支持。 論文鏈接：https://doi.org/10.1103/v38b-5by1 （化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、精準(zhǔn)智能化學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心） |
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