近日，北京理工大学物理学院冯万祥教授、姚裕贵教授团队在磁性材料及其反常输运性质的研究中取得重要进展。他们在二维共线磁体中发现一种新的磁相：在非相对论极限下能带保持自旋简并，而引入自旋轨道耦合后可出现反常霍尔效应，且可由自旋中性流驱动，并伴随全动量空间的 persistent spin texture。这是一类区别于铁磁、反铁磁和交错磁的第四类共线磁相。该工作以“Anomalous Hall Effect in Type IV 2D Collinear Magnets”为题发表于国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。北京理工大学为该工作的唯一完成单位，冯万祥教授和姚裕贵教授为论文的共同通讯作者，博士生白羚为论文的第一作者，张闰午特别研究员为论文的共同作者。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

在磁性材料中，原子间的交换相互作用决定了自旋磁矩的排列方式，进而形成两种主要的磁有序形态：铁磁体和反铁磁体。反铁磁体因其无杂散磁场以及太赫兹量级的超快自旋动力学等特性，被视为实现超高密度和超高速自旋电子学器件的理想平台，其性能有望超越传统的、基于铁磁体的自旋电子学器件。然而，反铁磁体的补偿磁化特性导致其磁序难以探测与调控，存在磁信号微弱、磁电响应复杂等挑战。为突破铁磁体与反铁磁体的局限性，研究者开始关注非常规磁体。交错磁体作为近年来提出的一种新型磁性态，兼具铁磁体与反铁磁体的优点，为自旋电子学器件的发展提供了全新的可能性。

由于在器件集成中展现出优异的可扩展性、可调控性和良好的兼容性，二维磁性材料受到广泛关注。自从在单层或少层结构中实现稳定的长程磁有序以来，研究者已迅速构建了二维铁磁体与反铁磁体的材料数据库。然而，受限于低维系统中更为严格的对称性约束，至今仅有约20种二维交错磁材料被理论预测，远少于三维体系（超过200个），且尚无实验证据予以支持。因此，迫切需要探索新的非常规二维磁性体系，以拓展高性能自旋电子器件的材料候选库，并提供实验验证的可能路径。

图1：二维共线磁体的分类。

北京理工大学研究团队基于严格的自旋群理论分析，对二维共线磁体进行了系统分类，首次提出区别于铁磁、反铁磁和交错磁的新型第四类磁体（图1）。在非相对论极限下，由于[C₂||C_2z]或[C₂||M_z]对称性的保护，该类磁体呈现出自旋简并的能带结构；引入自旋轨道耦合后，尽管其净磁化强度为零，仍可实现时间反演对称性破缺的响应，如反常霍尔效应；打破了“共线磁体中产生反常霍尔效应必须依赖非相对论能带交换劈裂”的传统认识。研究团队进一步建立了识别此类磁体的对称性判别准则，并结合第一性原理计算，从二维材料数据库中筛选出多个候选材料。以单层 Hf₂S 为例，研究表明其在无自旋轨道耦合时能带呈现自旋简并特征；而在引入自旋轨道耦合后，可以出现由自旋极化流乃至自旋中性流驱动的反常霍尔效应（图2），还伴随一个受对称性保护、覆盖整个动量空间的持久自旋纹理（persistent spin texture），展现出超长的自旋寿命等优异性质。此外，研究团队还深入揭示了反常霍尔电导率的微观机制。结果显示，在空穴掺杂条件下，贝里曲率主要来源于交错阶梯跃迁能带之间的贡献（图3）。该研究不仅扩展了二维共线磁体的分类体系，丰富了磁性物态的理论图谱，也为在二维材料中实现非常规自旋电子学功能提供了新的思路和材料平台。

图2：(a) Hf₂S的晶体结构；(b) 非相对论能带；(c) s_z投影的相对论能带、自旋极化率p和反常霍尔电导率σ_xy。

图3：(a) 自旋守恒、自旋翻转及总的反常霍尔电导率σ_xy；(b) P₂处s_z投影的费米面及贝里曲率Ω_xy；(c) 动量空间B_a-Γ-B_b路径上的非相对论和相对论能带、以及P₂处的贝里曲率Ω_xy。

通讯作者简介：

冯万祥，北京理工大学长聘教授、入选国家高层次青年人才计划。从事量子功能材料及其反常输运性质的理论和计算研究，在Nature子刊、Phys. Rev. Lett.、Nano Lett.等期刊发表62篇SCI论文，研究成果被国内外同行正面评价和广泛引用，引用14000余次，H指数33 (Google Scholar)。关于三维Z2拓扑绝缘体、二维材料MoS2的自旋霍尔电导率和电子迁移率、反铁磁中可存在磁光、拓扑磁光、反常霍尔和反常能斯特效应等多项理论预言被实验证实，部分成果被写入国外物理学研究生教材和多本学术专著。主持国家自然科学基金面上项目3项、中德合作项目1项，参与科技部重点研发计划2项、973计划1项。获2016年德国洪堡学者、2018年国家自然科学二等奖(3/3)、2020年中国材料研究学会计算材料学青年奖（每年评选1～2人）、2021年教育部青年长江学者、2022年教育部自然科学二等奖(3/5)、2022年北京理工大学优秀博士学位论文指导教师、2022年北京高校优秀本科育人团队、2024年北京理工大学优秀教育教学成果一等奖(5/15)。现担任中国材料研究学会计算材料学分会委员、中国核学会计算物理学分会理事、北京理工大学党外知识分子联谊会理事。

姚裕贵，北京理工大学杰出教授、3次入选国家高层次领军人才计划，享受政府特贴，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任、物理学院院长。发表论文360余篇，包括Nature及子刊（31篇）、47篇PRL/X，引用36500余次，7篇论文单篇引用超过1000 次，H指数89 (Google Scholar)。在反常输运、二维量子材料、拓扑量子材料与物性、含能材料检测等领域做出了突出性贡献，具有重要国际影响，连续7年入选科睿唯安全球高被引学者。主持基金委创新研究群体、科技部重点研发计划和科工局国防专项等项目。当选美国物理学会会士、获国家自然科学奖、教育部自然科学奖、北京市自然科学奖、首届北京市先进科研工作者、北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才、北京最美科技工作者、中科院杰出科技成就奖、北京市优秀研究生导师等。作为院长，带领北京理工大学物理学科入选国家一流学科建设名单（工信部高校唯一入选基础学科），获批全国科普教育基地。

文章信息（*为通讯作者）：Ling Bai, Run-Wu Zhang, Wanxiang Feng*, Yugui Yao*, “Anomalous Hall Effect in Type IV 2D Collinear Magnets”, Phys. Rev. Lett. 135, 036702 (2025).

文章链接：https://doi.org/10.1103/rn1l-d6cq