物理学院黄华卿课题组二维轨道交错磁性研究取得新进展
发布时间: 2026-07-09 10:49:37
交错磁性（altermagnetism）是近年来凝聚态物理领域提出的一类新型磁有序态。它不同于传统铁磁性和反铁磁性，交错磁体在实空间中可具有相互抵消的反平行磁矩排列，宏观净磁化为零；同时，其在动量空间中又能产生由对称性保护的交替能带自旋劈裂。这种独特性质使交错磁体有望在无净磁化条件下实现高效磁电调控，为低功耗自旋电子学器件提供新的材料基础。
目前，交错磁性的研究主要围绕自旋自由度展开，即关注自旋磁矩如何在实空间和动量空间中形成交错有序。然而，在实际材料中，电子的轨道运动同样可以产生磁矩。轨道磁矩不仅与局域电子运动有关，还与能带几何、拓扑性质和输运响应密切相关。由此引出一个自然的问题：若不依赖自旋磁矩，仅由轨道自由度本身，是否也可以形成类似交错磁体的对称性保护磁有序态？
近日，北京大学物理学院黄华卿研究员课题组在二维轨道交错磁性研究方面取得重要理论进展。研究团队提出了“轨道交错磁性”（orbital altermagnetism）的新概念，揭示了纯轨道自由度也能形成类似自旋交错磁体的磁有序态。该磁性态在实空间中表现为局域轨道磁矩反平行排列且总磁矩相互抵消，而在动量空间中则表现为轨道磁矩（或轨道角动量）与布洛赫电子动量之间的交替锁定关系。
为了展示这一概念，研究团队首先构造了一个二维方形笼目晶格上的无自旋最小紧束缚模型。在该模型中，复数跃迁可以诱导出局域环电流。计算表明，相邻三角形中的环电流沿相反方向循环，从而产生交错排列的面外轨道磁矩。与此同时，能带中的轨道角动量在动量空间中呈现交替分布，形成清晰的轨道角动量-动量锁定关系；相应地，实空间轨道磁矩也呈现出典型的交错排列特征。
图1 二维方形笼目晶格模型中的轨道交错磁性。（a）最小紧束缚模型的晶格结构与跃迁形式。（b）复跃迁诱导相邻三角形中方向相反的环电流。（c）动量空间中轨道角动量呈现出d波的劈裂纹样。（d）实空间轨道磁矩的分布
研究团队进一步从对称性角度建立了二维轨道交错磁性的判据。不同于自旋交错磁体通常可借助自旋群来描述，轨道交错磁性中的实空间轨道磁矩排列以及动量空间中的轨道角动量-动量锁定关系，均受到相应等效磁点群的约束。基于这一思路，团队系统筛选了能够支持二维轨道交错磁性的磁点群，并给出了不同对称性下允许的轨道纹理类型（见表1），为在实际材料中寻找和识别轨道交错磁性提供了理论判据。
表1 与二维轨道交错磁性兼容的磁点群
更重要的是，研究团队通过第一性原理计算发现，轨道交错磁性可以出现在真实二维材料中。以单层CuBr₂为例，当自旋沿面内方向铁磁排列时，体系虽然具有铁磁自旋序，但两个Cu原子上的面外轨道磁矩却呈现相反符号，形成实空间中的轨道反平行排列。能带计算进一步表明，体系在动量空间中具有明显的轨道角动量交替分布，而自旋极化仍保持铁磁特征。这说明，在同一材料中，自旋和轨道自由度可以呈现不同的磁序特征。
图2 单层CuBr₂中的轨道交错磁性。（a）单层 CuBr₂ 的晶体结构与面内铁磁自旋构型。（b，c）能带中的轨道角动量（Lz）和自旋（Sy）分布。（d，e）轨道磁矩和角动量在实空间以及倒空间的分布
此外，这种轨道交错磁序还会影响一些可观测的物理响应。研究团队以轨道交错磁体单层MoO为例，计算了非线性电流诱导磁化响应。结果显示，电流诱导磁化中的轨道贡献可以显著大于自旋贡献，表明该响应由轨道自由度主导。进一步分析表明，这种增强来源于能带近简并区域附近显著增强的轨道磁矩和能带几何效应。
这项工作提出并系统建立了二维轨道交错磁性的概念，将交错磁性从自旋自由度拓展到轨道自由度。研究表明，轨道磁矩不仅可以形成相互补偿的实空间磁有序，还可以在动量空间中产生由对称性保护的轨道角动量-动量锁定关系。这一发现为理解低维磁性材料中的轨道响应、能带几何效应和非线性磁输运提供了新的视角。
2026年6月30日，相关研究成果以《二维轨道交错磁性》（“Orbital Altermagnetism in Two Dimensions”）为题发表于《物理评论快报》（ Physical Review Letters ）。北京大学物理学院博士生潘铭祥为第一作者，美国犹他大学刘锋教授和黄华卿为共同通讯作者。
本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和美国能源部基础能源科学项目等经费支持。相关计算工作在国家超级计算天津中心“天河”新一代超级计算机和北京大学高性能计算平台上完成。
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