近日，北京理工大学姚裕贵院士团队成员张闰午副教授等人将非常规磁性推广到二维共线体系，成功识别出一种全新磁相——第四类磁性，并系统阐明了其对称性条件、电子能带特征及新奇物性。该新类别突破了现有铁磁性（第一类）、传统反铁磁性（第二类）及交错磁性（第三类）的描述框架，兼具非相对论性自旋简并与相对论性自旋劈裂现象，其性质既不属于传统反铁磁性，也不属于标准交错磁性。如图1所示，研究团队进一步通过建立从共线自旋层群到磁性层群的映射关系，构建了适用于二维第四类磁体的普适对称性分类框架。相关研究成果以“Symmetry Classification of Altermagnetism and Emergence of Type-IV Magnetism in Two Dimensions”为题，发表于国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。该文通讯作者为北京理工大学张闰午副教授，共同第一作者为博士生田木和博士后崔朝喜，共同作者包括北京化工大学张泽英副教授、博士后段璟奕和冯万祥教授。本研究得到了姚裕贵院士和余智明教授的重要指导，并获得了科技部国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助支持。

图1：基于共线自旋层群（cSLGs）的交错磁性新分类。在三维情形下，1421个共线自旋空间群（cSSGs）中有422个属于交错磁性。然而，从三维到二维情形的过渡代表着交错磁性分类中的一次根本性范式转换。在二维情形下，92个共线自旋层群属于二维交错磁性，66个共线自旋层群属于第四类磁性。

实现对自旋自由度的精准、低耗操控是自旋电子学走向实用化的核心挑战。然而，传统磁性材料面临诸多制约：铁磁体易受杂散场干扰，难高密度集成；反铁磁体虽无杂散场，但磁序难探测调控，信号弱且响应复杂；非磁材料则依赖强自旋轨道耦合产生自旋流。这些问题严重阻碍了自旋电子器件的微型化与集成化。为突破上述瓶颈，近年来研究者聚焦非传统磁体——交错磁体。这类磁体在保留传统反铁磁体对外磁场抗干扰性与超快动力学响应的同时，突破了自旋极化需外场诱导的限制，在零磁场下即可实现能带自旋劈裂，为新型自旋电子器件提供了独特的材料平台。尤为重要的是，交错磁体中蕴含的新物理效应超越了传统铁磁与反铁磁的理论框架，正成为凝聚态物理与材料科学的前沿热点。然而，当从三维过渡到二维对称性所强制的完全补偿共线磁性时，交错磁体的分类经历了一个根本性的范式转变——而这一点迄今为止尚未得到充分关注。

尽管三维体系中的交错磁性已有明确定义，维度降低却会深刻改变自旋群对称性的影响，从而破坏低维体系中非相对论性描述的有效性。例如，在局限于x-y平面的二维共线磁体中，布里渊区中k_z方向的缺失意味着自旋群对称性 {C₂|M_z} 和 {C₂|C_2z} 会在每个k点处强制产生自旋简并——而这一特征在三维体系中并不存在。虽然自旋空间群对于描述非相对论现象（尤其是在交错磁体中）仍然至关重要，但其在低维体系中的脆弱性——体现在描述二维自旋群强制简并时存在的模糊性——使其不足以对降维体系中的非相对论物理进行准确分类。因此，基于共线自旋层群（collinear spin layer group, cSLG）的新理论框架对于二维共线磁体的严格分类至关重要。

图2. 第四类磁体在（a）非相对论情形和（b）相对论情形下的能带结构。破坏强制自旋简并的对称性 {C₂||O₂} 会导致在相对论区（由自旋轨道耦合SOC诱导）出现普遍的自旋劈裂能带。

通过将非常规磁性的概念推广至二维共线体系，该团队识别出第四类磁性独特的对称性条件与特征电子能带。这一新类别超越了已有的铁磁性、传统反铁磁性和反铁磁性的描述框架。如图2所示，第四类磁体能够产生非相对论性自旋简并和相对论性自旋劈裂现象，严格而言既不属于传统反铁磁性，也不属于标准交错磁性。该团队通过将共线自旋层群映射到磁性层群，建立了一套适用于所有此类二维磁体的普适对称性分类框架。

图3 ：(a) 单层MgCr₂O₄的几何结构；(b) 单层MgCr₂O₄的声子谱；(c) 单层MgCr₂O₄的非相对论能带结构；(d) 奈尔矢量垂直于面内时单层MgCr₂O₄的自旋分辨相对论能带结构；(e) 栅极电场E_z=0.2 eV下单层MgCr₂O₄的自旋分辨相对论能带结构；(f) 栅极电场E_z=-0.2 eV下单层MgCr₂O₄的自旋分辨相对论能带结构。

图4： (a) 单层BaMn₂Ch₃ (Ch=Se, Te)的顶视图和侧视图；(b) 单层BaMn₂Te₃的非相对论能带结构；(c) 单层BaMn₂Te₃对应的自旋分辨相对论能带结构；(d) 单层BaMn₂Te₃相对论能带结构的能隙随栅极电场Ez的变化关系

在候选材料预测方面，该团队通过共线自旋层群与磁性层群之间的映射框架，发展了一套通用的材料设计原则，从而能够系统性地筛选二维候选材料。以单层MgCr₂O₄和BaMn₂Ch₃（Ch= Se, Te）作为第四类磁性的代表性材料，如图3和图4所示，分别展示了它们可以作为栅压可控自旋纹理和量子电霍尔效应的材料载体。这些发现不仅为探索新型第四类磁性提供了新视角，也为自旋操控和反常输运开辟了新路径，有望推动高性能自旋电子器件的创新设计。

通讯作者简介：

张闰午，北京理工大学特别研究员、博士生导师。长期从事量子材料新物态、新效应及新物性调控，迄今发表论文50余篇，包括11篇Phys. Rev. Lett.，2篇Adv. Funct. Mater.，1篇ACS Nano，2 篇 Nano Lett.等。总引用2900余次，H指数27，8 篇论文单篇引用超 100 次。主持国家自然科学基金项目2项、北京市自然科学基金面上项目1项、凝聚态物理国家中心开放课题项目1项、博士后基金一等资助1项、博士后基金站中特别资助1项。荣获北京市本科生毕业设计（论文）优秀指导教师、山东省自然科学二等奖、IOP高被引作者奖等，担任Phys. Rev.系列、ACS系列等学术期刊审稿人。

文章信息（#为第一作者，*为通讯作者）：Mu Tian#, Chaoxi Cui#, Zeying Zhang, Jingyi Duan, Wanxiang Feng, and Run-Wu Zhang*, “Symmetry Classification of Altermagnetism and Emergence of Type-IV Magnetism in Two Dimensions”, Phys. Rev. Lett. 136, 206701 (2026).

文章链接：https://doi.org/10.1103/jp95-17sz