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本网讯 9月2日，中南大学物理学院低维量子器件实验室刘艳平教授团队与合作者，在国际物理学顶级期刊《自然·物理》（Nature Physics）在线发表题为《扭转范德华同质结中的交变磁性》（Altermagnetism in Twisted van der Waals Homostructures）的研究论文。该工作首次在实验上证实正交转角CrPS₄/CrPS₄同质结中的交变磁性，通过对称性工程在二维范德华材料中实现零净磁化强度下的有限自旋劈裂，为低功耗、高速自旋电子学器件的研发提供全新材料平台，为新一代自旋电子学器件开辟全新路径。中南大学物理学院为论文第一完成单位。刘艳平教授为该论文唯一通讯作者，陈俊荧博士、谢兴博士为共同第一作者，何军教授、汪建涛教授、刘宗文教授为论文的合作者。合作单位包括中南大学极端服役性能精准制造全国重点实验室、澳大利亚悉尼大学、中国科学院物理研究所等。 《Nature Physics》是国际物理学领域最具影响力的期刊之一。这是中南大学物理学院建院以来首篇以第一单位在《Nature Physics》发表的研究论文，也是中南大学首次以第一单位在该期刊发表论文，是学校物理学科在国际前沿量子材料研究领域取得的一项重要进展。 
磁性材料传统上分为铁磁体和反铁磁体两大类。铁磁体具有平行排列的自旋和宏观净磁矩，是数据存储和自旋电子学器件的核心材料，但受限于杂散场不稳定性与开关速度瓶颈；反铁磁体则因自旋反平行排列而宏观净磁矩为零，虽稳定性高，却因缺乏净磁矩而难以实现外部电学调控。 交变磁性是近年来提出的一种全新磁性类型，兼具反铁磁体的补偿性自旋排列与铁磁体的有限自旋劈裂特征——在动量空间中表现出自旋极化的能带结构，而宏观上仍保持零净磁化强度。这种独特性质使其有望成为连接铁磁与反铁磁优势的“桥梁”。理论预言，通过扭转范德华层状材料可调控层间对称性从而诱导交变磁性，但实验上一直未能实现。 刘艳平教授研究团队采用“撕裂-堆叠”技术，将两层CrPS₄单晶以90°正交方式堆叠，构建CrPS₄/CrPS₄同质结。CrPS₄是一种A型反铁磁范德华材料，层内铁磁耦合、层间反铁磁耦合，磁矩主要沿面外方向排列。当两层以90°扭转堆叠时，上下层的磁链相互垂直，系统形成由旋转对称性联系的相反自旋子晶格——这正是交变磁性所需的对称性条件。 实验上，研究团队通过磁光光谱测量发现，正交扭转样品的圆偏振度随磁场变化表现出类似铁磁体的行为，与偶数层CrPS₄本征的反铁磁响应截然不同。更为关键的是，该结构在9 T磁场下表现出约2 meV的显著塞曼劈裂，对应有效g因子为−3.4，而在相同条件下铁磁和反铁磁CrPS₄参考样品中均未观察到可分辨的塞曼劈裂。这一特征表明，正交扭转结构中存在一种区别于传统铁磁和反铁磁的全新磁基态。 第一性原理计算进一步揭示交变磁性的微观起源。在90°扭转结构中，自旋向上态主要局域在顶层，自旋向下态主要局域在底层，形成反铁磁构型；自旋向上态沿b轴方向，与自旋向下态正交，两者通过90°旋转对称性相联系。这种对称性关系赋予系统交变磁性的核心特征：补偿性磁有序伴随有限自旋劈裂。 研究还发现，拉曼光谱中A6和B6声子模式在正交扭转结构中呈现显著劈裂，而这一现象在对称性较低的90°非对称堆叠（如3L/4L、5L/4L、6L/4L）和小角度扭转样品中均未出现。偏振分辨拉曼光谱证实，劈裂峰分别源于顶层和底层的独立拉曼响应，反映两层间独特的耦合机制。 该研究首次在实验上证实二维范德华体系中交变磁性的存在，将交变磁性的研究从三维体系拓展至二维层面。扭转工程作为一种“对称性设计工具”，为在天然范德华晶体中无法实现的新型磁量子态提供了人工制造路径。 “扭转角就像一个调控开关。”刘艳平教授解释，“通过精确控制层间扭转角度，我们可以设计出具有特定对称性的磁性结构，从而实现对自旋劈裂的调控。” 该工作建立的实验范式可推广至其他层状反铁磁体系。未来结合动量分辨光谱学、自旋输运测量、超快光学探测和电学调控手段，有望进一步揭示扭转诱导交变磁性的微观动力学机制。从应用前景看，交变磁性兼具零杂散场与有限自旋极化的特性，为低功耗、高速自旋电子学和磁存储器件提供新的材料选择。 该研究得到了国家自然科学基金面上项目、国家量子科学与技术创新计划、中南大学高性能复杂制造国家重点实验室自主研究课题、澳大利亚ARC Discovery项目、中南大学一流学科创新能力提升计划量子科学技术项目等多个项目的资助。中南大学高性能计算公共平台在材料结构计算等方面提供了有力支持。 中南大学低维量子器件实验室自2017年成立以来，聚焦低维材料物理与量子器件研究，在二维材料自旋电子学、谷电子学和转角电子学领域持续深耕，已在《Nature Communications》《Advanced Materials》《Nano Letters》等高水平期刊发表100余篇论文。
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