中國(guó)科大牛謙教授與高陽(yáng)教授團(tuán)隊(duì)在反?；魻栃?yīng)研究中取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)基于新的對(duì)稱性破缺機(jī)制構(gòu)建了反?；魻栃?yīng)對(duì)磁序依賴的系統(tǒng)性描述，不僅預(yù)言了反?；魻栃?yīng)的新的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)，也為進(jìn)一步研究量子幾何與磁序的關(guān)聯(lián)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該研究成果于7月7日發(fā)表在國(guó)際物理學(xué)知名期刊Physical Review X上，并被遴選為Featured in Physics在期刊官網(wǎng)Highlights欄目重點(diǎn)推薦。

在物理學(xué)中，對(duì)稱性及其破缺是理解許多現(xiàn)象的關(guān)鍵。比如，時(shí)間反演對(duì)稱性的破缺使得材料獲得磁性。而探測(cè)自發(fā)磁性的重要現(xiàn)象之一即是微觀量子幾何特性引起的電流在磁體中的偏轉(zhuǎn)，也即反?；魻栃?yīng)。長(zhǎng)期以來(lái)，人們利用時(shí)間反演對(duì)稱性來(lái)認(rèn)識(shí)反?；魻栃?yīng)與磁性的關(guān)聯(lián)，并由此建立了經(jīng)驗(yàn)規(guī)律：反常霍爾效應(yīng)與垂直于電流-電場(chǎng)平面的磁化強(qiáng)度呈線性關(guān)系。然而，近年來(lái)交錯(cuò)磁體、非共線反鐵磁體中的反常霍爾效應(yīng)觀測(cè)，以及鐵磁體中面內(nèi)反?；魻栃?yīng)的發(fā)現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)理論框架提出了根本性挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，其根源在于與時(shí)間反演對(duì)稱性破缺相聯(lián)系的磁性的特征能量尺度（也即交換能）至少與其他能量尺度可比，故時(shí)間反演對(duì)稱性的約束不足以準(zhǔn)確給出反?；魻栃?yīng)的結(jié)構(gòu)信息。

據(jù)此，研究團(tuán)隊(duì)提出突破性觀點(diǎn)：在強(qiáng)磁體中，反?；魻栃?yīng)應(yīng)重新理解為自旋群對(duì)稱性破缺現(xiàn)象，其關(guān)鍵參數(shù)是自旋軌道耦合（大小約0.01-0.1 eV），而非交換能（通常為eV量級(jí)）。通過(guò)引入歐拉角以刻畫(huà)磁序的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)并利用自旋軌道耦合一般遠(yuǎn)小于交換能與帶寬的條件，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了以自旋軌道耦合為微擾的嚴(yán)格展開(kāi)理論，其各階展開(kāi)系數(shù)均受到自旋群對(duì)稱性的約束。這一創(chuàng)新方法直接揭示了微觀的量子幾何特性與宏觀的序參量的關(guān)聯(lián)的起源（圖1）?；诖?，研究團(tuán)隊(duì)最終將反?；魻栯妼?dǎo)表述為磁化空間中的多極矩展開(kāi)，其中高階矩的貢獻(xiàn)呈冪指數(shù)衰減，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)反?；魻栃?yīng)結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確描述。

圖1：共線鐵磁體系反?；魻栃?yīng)起源于自旋軌道耦合導(dǎo)致的自旋群對(duì)稱性破缺示意圖（圖片源自對(duì)應(yīng)觀點(diǎn)文章）。

基于該理論，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了32種晶體點(diǎn)群中反常霍爾電導(dǎo)的偶極和八極結(jié)構(gòu)，取得系列重要發(fā)現(xiàn)。在27種晶體點(diǎn)群的共線鐵磁材料中存在偶極子主導(dǎo)的平面反?；魻栃?yīng)，這可成功解釋近期在VS2-VS超晶格、加壓CuMnAs和FeCr2Te4等材料中觀察到的現(xiàn)象。而在13種晶體點(diǎn)群的共線鐵磁材料中可觀測(cè)到完全由八極矩導(dǎo)致的平面反?；魻栃?yīng)（圖2），近期中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)侯達(dá)之教授團(tuán)隊(duì)首次在Fe和Ni這兩種經(jīng)典鐵磁材料中觀測(cè)到了由八極矩導(dǎo)致的面內(nèi)反?；魻栃?yīng)（arXiv:2402.15741），這也為理論提供了直接實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖2：正八面體群中由八極矩導(dǎo)致的平面反?；魻栃?yīng)。傳統(tǒng)反?；魻栯妼?dǎo)（左圖）和平面反?；魻栯妼?dǎo)（右圖）在磁化空間中的分布。

該工作以一種通用的方式建立起了微觀量子幾何量與宏觀磁序的關(guān)聯(lián)。此理論框架不僅可以被拓展至一般的周期性磁性晶格（包括交錯(cuò)磁性、非共線反鐵磁性等），亦可用于研究其他輸運(yùn)現(xiàn)象和光學(xué)現(xiàn)象與磁序的關(guān)系，最終可為設(shè)計(jì)新型的基于量子幾何特性的電子器件提供理論指導(dǎo)。

中國(guó)科大物理系博士后劉正為論文第一作者，高陽(yáng)教授為論文通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、2030科技創(chuàng)新量子科學(xué)與技術(shù)、博士后面上基金、國(guó)家資助博士后計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)支持。