在二维六方晶格的铁磁材料中，当时间反演和空间反演对称性被打破时，材料将呈现出外场可调的自发谷极化，因此在磁性过渡金属二硫化物中，谷电子学的研究得到了极大的促进。多铁性材料具有铁电性(FE)、铁磁性(FM)、铁弹性和铁谷(FV)等不同组合的耦合特性，近年来因其良好的物理性质和潜在的应用前景而引起了人们的极大兴趣。然而，在过去的几十年里，二维铁电和二维铁谷材料的实际应用受到了它们的稀缺性的极大限制。同时，调控方法的缺乏也阻碍了研究人员对其潜在应用的探索。近年来，滑移铁电(Sliding ferroelectricity, SFE)的提出为二维范德华(vdW)材料的多铁性探究提出了一种新的可能。 中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室郑跃团队罗鑫课题组通过第一性原理计算的方法，提出利用应变工程来控制SFE双层2H-VX2(X=S, Se, Te)中的自旋谷耦合。作者首先分析了R堆叠下三个能量极值点处的铁电极化情况，发现只有在垂直方向镜面对称性破缺的情况(AB和BA)下，VX2中才会存在自发的SFE极化。图1 双层R堆叠下VX2中的铁电性 其次，在R堆叠的双层VX2中，作者将滑动铁电性和反铁磁性结合在一起构建了四个多铁态（如图2所示），其中自旋极化和谷极化通过层数相关的自旋极化能带结构耦合在一起，四个多铁态之间可以通过外加电、磁场的方式来回切换。作者也给出了AB和BA两种堆叠方式下材料的贝里曲率分布(如图2c和f所示)，为材料中的反常谷霍尔效应研究提供了参考。图2 双层R堆叠VSe2中的四态切换 此外，该研究表明，轻微的静水压会引起双层VX2(X = Se, Te)中层间反铁磁（AFM）到铁磁（FM）耦合的转变(图3d)，显著影响自旋和谷自由度之间的耦合。由于层间AFM和FM耦合将对应不同的谷极化状态，因此，可以通过简单的应变场替代磁场来有效切换层间耦合状态，实现谷极化状态的切换。 为了理解这些多铁系统中不同自由度之间的耦合，作者提出了k·p模型揭示了层间滑动产生的电极化与K+和K-谷最大价带能差之间的线性关系（图3b）。同时提供了一种方法来测量SFE体中的铁电极化。基于应变、自旋、谷和电极化之间的强耦合，有可能利用应变来控制2H-VX2物性，产生净自旋电流。图3 层间滑移及垂直应变操作下VSe2中铁电、铁谷、铁磁性质的变化 该研究成果于2024年5月10日以“Strain engineering the spin-valley coupling of the R-stacking sliding ferroelectric bilayer 2H-VX2(X = S, Se, Te)”为题发表在《npj Computational Materials》上。该工作由中山大学独立完成，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室罗鑫教授为论文通讯作者，物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室硕士生马佳瑜为第一作者。原文链接：https://doi.org/10.1038/s41524-024-01288-5

中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室姚道新教授团队最近在量子相变的无序算符标度行为研究中取得重要进展，在国际上首先提出了无序算符可以用来探测边界态和边界的临界行为，并分析了其标度行为。2024年5月17日，该成果以“Measuring the Boundary Gapless State and Criticality via Disorder Operator”为题，以中山大学为第一单位发表在国际著名物理刊物《物理评论快报》(Physical Review Letters 132, 206502 (2024))，并获得编辑推荐(Editor’s suggestion)。 量子相变一直是凝聚态物理中重要且有趣的主题之一。 晶格系统的边界由于其配位数的不同展现出比体内更加丰富的相变行为，即表面临界行为。由于边缘模与体的临界涨落耦合在一起，边界会诱导出新奇的相变行为，吸引了许多研究者的关注。如何在多体计算中，提取边界临界行为的信息，进一步验证表面临界理论的可靠性，比如边界共形场论(BCFT)，是量子多体计算重要的方向。 另外一方面，近年来非局域算符的研究逐渐兴起，它们可以从广义的对称性和domain wall的角度去理解物相和相变。无序算符作为一种非局域的测量算符，它能够揭示相和相变点的高价对称性和共形场论信息，从全局的角度理解相变普适类的信息。例如，在S=1/2的二维正方晶格J1-J2柱状海森堡模型中，它能够提取出O(3)相变点的流中心荷CJ，反映其普适类信息。 姚道新教授团队率先利用无序算符对二维具有对称性保护拓扑相(SPT)的AKLT模型的边界性质进行研究。在AKLT相，边界的自旋形成有效的海森堡链。无序算符能够反映边缘态的物理性质，提取海森堡链的Luttinger参数，揭示(1+1)维边界SU(2)1的物理。当体系靠近相变点时，无能隙的边缘模与体的临界涨落逐渐耦合在一起，无序算符不但能够反映边缘态的(1+1)维的SU(2)1物理，提取Luttinger参数，还能够提取体的临界行为O(3)临界模的共形场论信息。 在此基础上，姚道新教授团队对无序算符的标度行为提出了一个猜想。在临界点处，无能隙边缘模和体的临界模会以叠加的形式进入到无序算符的标度行为中，体现在其对数项中，它们遵从以下公式，其中的K项由无能隙的边缘态提供，而CJ项由体的O(3)临界模贡献。我们的数值结果很好地验证了我们猜想的可靠性。这也从数值角度直观揭示了边缘模与体的临界涨落耦合的物理图像。 在此基础上，姚道新教授团队利用量子蒙特卡洛方法研究了二维AKLT模型的纠缠谱和能谱的对应关系。著名的Li-Haldane猜想指出在拓扑态里面纠缠谱的低能部分和开边界的能谱具有一一对应的关系。研究团队发现，在AKLT模型边界施加微扰，其纠缠谱和能谱并不总是具有对应关系。在某些情况下，即使边界变成有能隙的，其纠缠谱和能谱也具有对应关系。研究团队利用新的虫洞图像很好地理解这些数值结果，并揭示了虫洞图像可以成为理解复杂系统纠缠谱变化的强有力的工具。相关工作已经发表Physical Review B刊物上(Phys. Rev. B 109, 094416(2024))。在此之前，姚道新教授团队利用量子蒙特卡洛方法研究了该模型体和边界的激发谱，为理解对称保护拓扑相和磁有序的激发提供了重要的数值依据(Phys. Rev. B 105, 014418 (2022))。并且，姚道新教授团队还对S>1/2的二维四八晶格海森堡模型的相图和激发谱进行了细致的计算和研究(Phys. Rev. B 106, 085101 (2022))。图一：S=1/2的J1-J2四八晶格海森堡模型的相图，无序算符反映了临界点处边缘模和体的临界模耦合在一起的物理信息。 研究成果发表于2024年5月17日出版的Physical Review Letters 132, 206502 (2024)（DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.132.206502）。 中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室博士研究生刘泽楠为论文的第一作者，中山大学姚道新教授、西湖大学严正研究员和北航杭州国际创新研究院王艳成副教授为通讯作者，比利时根特大学黄瑞珍博士后参与了理论工作。中山大学的理论研究工作依托物理学院公共科研平台和中子科学平台、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、光电材料与技术国家重点实验室、高等学术研究中心。计算工作依托中山大学国家超级计算广州中心。 上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划领军人才项目等的资助。原文论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206502

中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室侯玉升副教授课题组最近在磁斯格明子的研究中取得新进展，提出了利用磁各向异性的可控性调控本征斯格明子态与铁磁态之间的转换，从而实现对磁斯格明子产生与湮灭的操控。2024年4月10日，该成果以“Switching Intrinsic Magnetic Skyrmions with Controllable Magnetic Anisotropy in van der Waals Multiferroic Heterostructures”为题，以中山大学为第一单位发表在国际著名学术期刊《Nano Letters》上。 磁斯格明子是一种受拓扑保护的、具有涡旋磁结构的准粒子，具有易操控、尺寸小、驱动速度快等优点。所以，基于磁斯格明子的自旋电子学器件有望满足未来器件对高容量、高速度、低功耗等性能要求。磁斯格明子也因此被认为是未来自旋电子学存储和逻辑运算器件的理想信息载体。但是，磁斯格明子在实际器件的应用中仍面临诸多挑战，对其实现精准的产生与湮灭正是关键难题之一。 针对该问题，侯玉升副教授课题组通过第一性原理计算，在基于具有本征Dzyaloshinskii–Moriya相互作用的CrYX (Y = S, Se, Te; X = Cl, Br, I)单层Janus磁性材料中，发现磁场能诱发磁斯格明子的出现[npj Computational Materials, 8, 120 (2022)]。在此基础上，课题组考虑到二维铁电材料具有非易失性极化的特性，提出了在二维范德华多体异质结中调控磁斯格明子的方案。经过两年的探索研究，他们在CrSeI和In₂Te₃组成的二维范德华多体异质结中发现了本征磁斯格明子态与铁磁态之间的转换[图1(a)]。▲图1：(a) 二维范德华多铁异质结在外加电场下磁斯格明子态和铁磁态之间的相互转换。(b) CrSeI/In₂Te₃中铁电极化向上和向下时的自旋纹理。(c) CrSeI/In₂Te₃体系的磁基态随其磁各向异性变化的演化情况。(c) CrSeI/In₂Te₃中极化向下时在磁场B和温度T参数空间中的相图。 在此项工作中，当In₂Te₃极化向上时，CrSeI/In₂Te₃为居里温度248K的铁磁态；当In₂Te₃极化翻转向下后，其磁基态则转变为奈尔型磁斯格明子态[图1(b)]。更深入的研究发现，该转变是由铁电极化方向可控的磁各向异性导致的[图1(c)]。通过研究温度和外磁场的影响，他们发现CrSeI/In₂Te₃中的磁斯格明子具有强鲁棒性，能在156 K和0.5 T下稳定存在[图1(d)]。特别是，在施加0.5T外磁场的情况下，磁斯格明子的半径会由无外场下的8.7 nm缩小至2.7 nm，为磁斯格明子器件的小型化打下基础。 为了揭示二维范德华多铁异质结中产生磁斯格明子的普遍规律，他们结合与海森堡交换相互作用相关的交换刚度系数、与Dzyaloshinskii–Moriya相互作用相关的系数和与磁各向异性相关的有效面外磁各向异性能，定义了无量纲的描述符。经过深入的分析，他们发现CrSeI/In₂Te₃中的铁电极化无论是向上或者向下，只要其的取值范围在0.69到0.98时，该体系中都将存在磁斯格明子。基于上述发现，侯玉升课题组在国际上首次提出通过控制磁各向异性能来调控磁斯格明子的产生与湮灭，并给出了有利于在二维多铁异质结中寻找磁斯格明子的描述符，为未来基于磁斯格明子的自旋电子学器件设计提供了有参考价值的理论指导。 相关研究成果于2024年4月10日作为封面文章发表于国际知名期刊《Nano Letters》中。中山大学为该成果的第一署名单位，中山大学物理学院汪泽全硕士生为第一作者，侯玉升副教授为唯一通讯作者。美国加州大学欧文分校（UC Irvine）物理与天文系的Ruqian Wu教授参与该研究工作。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省自然科学基金的大力支持，特别感谢广东省磁电物性分析与器件重点实验室的大力支持。