2025-06-03 | 科研部 南科大刘奇航课题组在磁几何诱导量子几何与非线性输运的研究中取得进展
近日，南方科技大学物理系刘奇航教授课题组在反铁磁材料中的磁几何-量子几何关联驱动非线性输运的研究领域取得进展。相关成果以“Magnetic geometry induced quantum geometry and nonlinear transports”为题发表在期刊《自然·通讯》(Nature Communications)上。
非线性输运效应作为凝聚态物理的前沿研究方向之一，不仅是新型电子器件的功能基础，更是探测材料内禀量子几何特性的关键手段。最近的研究指出，非线性输运可用于有效探测反铁磁材料奈尔矢量的翻转，为反铁磁自旋电子学奠定基础。
尽管反铁磁材料在自旋电子学领域展现出诱人前景（如零净磁矩抗干扰、超高响应频率等），但迄今为止，仅有极少数反铁磁体系被理论预测或实验证实具有显著的非线性输运效应。导致这一困境的原因，主要在于传统理论认为量子几何效应（如贝里曲率和量子度规）的产生依赖于强自旋轨道耦合在动量空间形成能带反转，这一假设将材料选择范围严重制约在含重元素的磁性体系中。
图1. 磁几何具有的有效时间反演对称性Teff和有效时间-空间反演对称性PTeff
针对以上问题，刘奇航团队提出通过磁几何直接诱导量子几何而产生内秉非线性输运效应，无需依赖自旋轨道耦合。团队基于最近发展的自旋空间群理论[Phys. Rev. X 12, 021016 (2022); Phys. Rev. X 14, 031038 (2024)]，将自旋自由度与晶格对称性解耦，构建了晶格空间磁几何与动量空间量子几何的联系。研究发现尽管磁性材料不存在时间反演对称性，但共线及共面反铁磁体的磁矩排列允许特定自旋旋转与时间反演联合，形成有效时间反演对称性Teff（图1），从而压制逆有效质量偶极子以及量子度规偶极子产生的二阶输运效应，仅允许贝里曲率偶极子贡献的二阶输运效应。而若磁几何具有自旋旋转、空间反演、时间反演的联合对称性，则可呈现出有效空间-时间反演对称性PTeff，从而禁止贝里曲率偶极子的贡献，但仍然保留逆有效质量偶极子以及量子度规偶极子产生二阶输运效应。除了这两种典型的有效对称性，团队成功构建了磁几何一般自旋-空间对称性与非线性输运张量的直接映射规则，从而无需依赖耗时的高通量计算，即可预测材料的内秉非线性响应特性。
图2. 量子几何相关的二阶输运效应与反铁磁材料数据库概况
为了与实验直接对应，团队从磁性材料数据库MAGNDATA的1700余种经中子散射实验验证的反铁磁材料中，筛选出803种非中心对称材料，并进一步诊断其磁几何对称性，最终建立了包含260种候选材料的磁几何诱导非线性输运数据库（图2），即接近三分之一的非中心对称反铁磁材料具有非线性输运效应，这一发现打破了非平庸输运一般由自旋轨道耦合驱动的传统认知。该数据库具体包含120种共线反铁磁材料和71种共面反铁磁材料，可以具有贝里曲率偶极子产生的几何非线性效应，以及69种非共面反铁磁材料，可具有至少一种量子几何产生的几何非线性效应，其中21种材料同时具有由逆有效质量偶极子、贝里曲率偶极子、量子度规偶极子三种机制诱导的非线性输运。该数据库已开源至课题组自主研发的在线交互程序FINDSPINGROUP上（https://findspingroup.com/）。
通过第一性原理计算与非线性输运理论计算，研究人员在典型材料中验证了“磁几何-量子几何”的关联。例如，在交错磁体VNb3S6中，研究人员计算得到由无需自旋轨道耦合的由贝里曲率偶极子贡献的二阶输运效应。同时，在室温非共面反铁磁体CrSe中，团队成功获得由复杂磁几何诱导的量子度规偶极子，即相应二阶输运效应。数值计算表明非线性输运效应的强度不但可与由自旋轨道耦合产生的效应强度具有相同数量级，甚至在部分材料中前者可比后者大一个数量级。值得注意的是，CrSe中量子度规偶极子贡献的电导率比磁性拓扑绝缘体MnBi2Te4中由自旋轨道耦合导致的量子度规偶极子贡献大一个数量级[Nature 621, 487 (2023)]。
最近，刘奇航团队提出非常规磁性概念以描述兼具铁磁体和反铁磁体优势的磁性材料[Nat. Phys. 21, 329 (2025)]。本工作结合自旋群理论首次指出了磁几何与量子几何的关联，这不仅深化了非常规磁性的概念，还为反铁磁自旋电子学的应用提供了更多的候选材料。
南方科技大学物理系2022级博士生朱海媛与2020级博士研究生李嘉裕（现为香港大学博士后）为论文共同第一作者，合作者包括粤港澳大湾区量子科学中心副研究员陈晓冰，2023级硕士研究生余雨曈。刘奇航教授为论文的唯一通讯作者，南方科技大学为论文第一单位。此项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省量子科学战略专项、广东省重点实验室、深圳市科技计划等项目资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-60128-2
供稿：物理系
通讯员：许馨文
编辑：任奕霏
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