Alternating spin splitting of electronic and magnon bands in two-dimensional altermagnetic materials

Qian Wang(王乾), Da-Wei Wu(邬大为), Guang-Hua Guo(郭光华), Meng-Qiu Long(龙孟秋), and Yun-Peng Wang(王云鹏)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (9):  097507

具有rutile结构的反铁磁体具有非常规的电子结构，称为互磁性（altermagnetism）。互磁性是指某些反铁磁体即使在忽略自旋轨道耦合效应时，其能带结构也表现出自旋分裂特性。本文报道了MF₄和TS₂两种磁性二维材料中的互磁性，其中M和 T代表3d和4d过渡金属元素。利用晶体对称性详细分析了RuF₄和MnS₂等材料电子结构中的自旋分裂和磁子能带的劈裂，证实了时间反演对称性破缺是自旋劈裂的必要条件。基于对称性分析和第一性原理计算发现电子能带和磁子色散关系沿同一路径经历了交替的劈裂。具有互磁性的磁性二维材料有望在自旋电子学和磁子学中得到应用。

Fig. 3. Band structure and magnetic dispersion. (a) and (b) Band structure and magnetic dispersion of MnS₂. They both experience splitting on X-Y. (c) and (d) Band structure and magnetic dispersion of RuF₄. They exhibit splitting on X-Y and Γ-M. 

Dzyaloshinskii-Moriya interaction and field-free sub-10 nm topological magnetism in Fe/bismuth oxychalcogenides heterostructures

Yaoyuan Wang(王垚元), Long You(游龙), Kai Chang(常凯), and Hongxin Yang(杨洪新)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (9):  097508

拓扑磁结构具有高稳定性、纳米级尺寸和低电流密度驱动等优势，在信息存储和运算等方面具有潜在的应用前景。其中，磁性斯格明子有望应用于赛道存储器、自旋逻辑器件以及用作人工突触中的信息载体等。而Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）对于拓扑磁结构的形成和稳定至关重要。目前，探索发现较大DMI的新型材料体系对于开发基于拓扑磁结构的低功耗自旋电子器件仍然是自旋电子学领域的研究热点之一。

本文提出了一类超薄异质结构Fe/Bi₂O₂X (X = S, Se, Te），由Fe原子堆叠在准二维（2D）铋氧硫族化合物Bi₂O₂X上构成。在没有磁性的Bi₂O₂X上堆叠磁性Fe原子，可以打破体系的对称性，诱导DMI的产生。基于浙江大学量子物态与器件研究中心团队开发的DMI计算方法，本文通过理论分析和原子级自旋动力学模拟对Fe/Bi₂O₂X异质结中的DMI和拓扑磁结构进行了系统研究。在Fe/Bi₂O₂S(Se) 体系中发现了源自界面重Bi元素的大DMI，其值随Fe原子层数的增加而减小，符合Fert-Lévy机制。在此基础上，通过原子级自旋动力学模拟，证明了无外场下涡旋-反涡旋环和亚10纳米斯格明子的存在。并且由于Bi₂O₂X具有铁电/铁弹性，应变引起的结构畸变可以有效调节异质结构的DMI，导致拓扑磁结构的改变。这种无外场稳定的亚10纳米拓扑磁结构理论上可以实现高密度磁存储，为基于拓扑磁结构的下一代纳米级自旋电子器件的发展提供思路。

Fig. The atomic structure of Fe/Bi₂O₂X (X = S, Se, Te) ultrathin heterostructure. And the relaxed atomistic spin dynamics simulations of distorted Fe/Bi₂O₂Se in real space without applying external magnetic field.

Simultaneous control of ferromagnetism and ferroelasticity by oxygen octahedral backbone stretching

Genhao Liang(梁根豪), Hui Cao(曹慧), Long Cheng(成龙), Junkun Zha(查君坤), Mingrui Bao(保明睿), Fei Ye(叶飞), Hua Zhou(周华), Aidi Zhao(赵爱迪), and Xiaofang Zhai(翟晓芳)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (9):  097101

LaCoO₃体相是顺磁绝缘的材料，然而令人惊讶的是，在衬底拉伸应力作用下，LaCoO₃薄膜在低温下出现了体相没有的铁磁转变。目前大家对于这种铁磁性产生的原因说法不一，不同的研究团队在实验中观察到多种因素都会对薄膜的铁磁性产生影响，如应力、薄膜的氧含量、铁弹结构畴等，因此LaCoO₃薄膜的铁磁性来源一直是一个复杂且多面的问题。理清这些外在因素具体是如何促成LaCoO₃薄膜的铁磁性产生的机制非常有意义，有助于深化对磁性材料的理解，推动磁性功能器件的发展。

本文通过对不同氧压下高质量的LaCoO₃薄膜的结构和磁性表征，揭示了LaCoO₃薄膜中铁弹畴的尺寸与铁磁性的强弱具有很强的关联，通过计算氧空位浓度与铁弹畴的尺寸关系，提出了氧空位参与形成铁弹畴畴壁的机制。薄膜中氧空位的差异造成了薄膜面内应力大小的差异，从而微观上导致了氧八面体面内旋转的差异，最终使得Co离子d轨道的电子因晶体场能的劈裂有不同的差异而有不同的排布，进而影响了薄膜铁磁性的强弱。我们同时解释了之前其他团队观测到的应力、薄膜的氧含量、铁弹结构畴等不同因素对于LaCoO₃薄膜铁磁性的影响，为进一步调控LaCoO₃薄膜铁磁性提供了参考，拓展其在磁性器件领域的应用。

Fig. 4. The scenario of the ferroelastic–ferromagnetic coupling mediated by CoO6 octahedral backbone stretching. (a) The illustration of the CoO6 octahedral rotations under different tensile strains. The bolder arrows represent stronger strains. The dashed lines indicate the Co–O–Co bond angles. (b) The plane view of the ferroelastic domain with oxygen vacancy accumulation at the boundary. The green spots denote the oxygen atoms, the blue squares denote the CoO6 octahedra. The dashed lines indicate the domain boundary where oxygen vacancies (red dashed circles) accumulate. (c) The schematic energy level diagrams of Co3+. The eg↑, t2g↑ and eg↓, t2g↓ represent the spin-up and spin-down bands, respectively. W is the eg orbital bandwidth. Δcf is the crystal field splitting. Δex is the intra-atomic exchange energy.

New approach to measuring topological phase transitions utilizing Floquet technology

Xue-Ying Yang(杨雪滢), Wei Wu(吴伟), and Ping-Xing Chen(陈平形)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (9):  090305

目前，测量拓扑相变和拓扑不变量的方法面临一些挑战。传统的测量方法往往依赖于复杂的量子态层析技术，这些拓扑分类的测量方法大多需要对整个动量空间进行遍历，以得到具体的拓扑荷数目来区分不同的拓扑相。这些方法不仅需要对系统进行高精度的态探测，还要求系统的相干时间较长，实验实现的难度较大。尤其是在高维系统中，拓扑不变量的测量工作量显著增加，这使得传统方法在实际应用中的效率受限。因此，如何设计一种更加简便、高效且保真度更高的测量方法，成为当前研究的一个重要方向。

本文提出一种基于Floquet准能谱的新型测量拓扑不变量的方案。与传统方法不同，新方案通过寻找Floquet跃迁能谱、拓扑序参量、Rabi震荡之间的映射关系，增强了系统中拓扑相变的可观测性，并显著简化了测量过程。这种新方法不仅能够提高测量精度，还能减少实验对相干时间的高要求，使得在实验中实现高维拓扑相变的测量成为可能。通过数值模拟和理论验证，我们展示了该方案在实际应用中的可行性和优越性。新方案的提出为未来高维拓扑相变测量提供了更为高效的工具，也为相关领域的实验研究奠定了基础。

Fig. 1. Extracting band inversion surface information using Rabi oscillation. (a) Floquet transition spectrum. The enlarged detail is in (d). (b) and (e) are Rabi oscillations at q_dig = -1.164 and q_dig = -2.235, respectively. (c) and (f) are their corresponding Fourier transforms.

Dynamics of fundamental and double-pole breathers and solitons for a nonlinear Schrödinger equation with sextic operator under non-zero boundary conditions

editors Luyao Zhang(张路瑶) and Xiyang Xie(解西阳)

Chin. Phys. B, 2024, 33 (9):  090207

探索双极点解理论并将其融入非线性光学等领域，已成为当前物理研究的热点课题之一。解析研究非线性系统，对于理解双极点现象的复杂性至关重要。其中，黎曼-希尔伯特方法作为一种有效且方便的理论工具，近年来在求解非线性系统方面有重要应用。然而，针对带有六阶算子的非线性薛定谔方程，在非零边界条件下的黎曼-希尔伯特方法研究尚显匮乏。

鉴于此，本文作者运用黎曼-希尔伯特方法，深入探讨了该方程在非零边界条件下双极点呼吸子的动力学特性，以及边界条件退化时的行为。本研究的创新亮点包括：（1）揭示了非零边界条件下多极点呼吸子解向零边界条件下多极点孤子解的转换机制；（2）在单极点条件下，通过参数调制，得到了时间周期性和时空周期性的呼吸子；（3）在双极点条件下，观察到了平行、相交及束缚态孤子，并对其相互作用进行了初步分析，发现参数微调对波振幅和速度的影响微乎其微；（4）在散焦情形下，简要探讨了单极解的两种情况，得到了单、双暗孤子及其动力学特征。本研究不仅为非线性系统的相关研究开辟了新视角，还深化了人们对双极点解动力学性质及演化机制的理解，为非线性光学等领域的实验观测及工程实践提供了宝贵的理论支撑。

Figure The left (right) side of the above figure is the focused (defocused) Riemann surface; the left side of the lower figure is the density of the double-pole solution in focusing case, and the right side of the lower figure is the propagation diagram of the double-dark solitons with simple poles along the spatial variable at different times in defocusing case.

特色栏目

近期专题精选

官网：http://cpb.iphy.ac.cn  https://iopscience.iop.org/journal/1674-1056

从投稿到录用平均审稿周期：2个月

文章录用后2天内网上预出版（DOI）

每期评选封面文章、亮点文章并多渠道宣传推送

入选“中国科技期刊卓越行动计划”