磁性拓扑材料因其独特的电子结构、磁性响应和反常输运性质, 在自旋电子学和自旋卡诺电子学等方面具有广泛的应用潜力, 因而备受关注。本报告内容有三个部分: 首先, 我们发现铁磁材料MF3(M=Pd, Mn)是一种拓扑准半金属, 在费米能级附近是完全自旋极化的拓扑节线态, 不存在其它平庸能带。通过第一性原理计算了MF3的反常/自旋霍尔、能斯特电导率, 发现内在机制起主要贡献(占总量的2/3), 外在边跳机制可以忽略, 但外在斜散射机制非常重要(占总量的1/3)。这项工作建立了拓扑能带与反常电荷、自旋输运之间的直接联系, 指出外在机制具有不可忽视的重要作用[1]。其次, 我们在非共面反铁磁(γ-FexMn1−x和KxRhO2)中发现了源于标量自旋手性的"拓扑"磁光Kerr和Faraday效应, 不需要自旋轨道耦合和能带交换劈裂, 并且在低频极限下可以实现量子化, 即"量子拓扑"磁光效应。拓扑磁光效应及其量子化现象代表着一类全新的"拓扑"光与物质相互作用[2]。最后, 我们发现交错磁体中可以出现由晶体时间反演对称性破缺导致的晶体能斯特和晶体热霍尔效应, 随着磁序方向变化呈现极强的各向异性, 其微观起源归结于Weyl赝节线、交错赝节面和交错阶梯跃迁; 在典型的交错磁体RuO2中, 受拓扑节线能带的影响, 反常Wiedemann-Franz定律可以维持到150 K。该工作揭示了拓扑交错磁体中特有的晶体热输运现象, 为自旋卡诺电子学器件提供了新的材料平台[3]。

参考文献: 

[1] Zhou et al., Phys. Rev. Lett. 129, 097201 (2022).

[2] Feng et al., Nat. Commun. 11, 118 (2020).

[3] Zhou et al., Phys. Rev. Lett. (Editors'Suggestion) 132, 056701 (2024).

冯万祥, 北京理工大学长聘教授。2006年和2009年在吉林大学分别获得本科和硕士学位, 2012年在中科院物理所获得博士学位。2012年至今在北京理工大学物理学院工作。从事拓扑量子材料及其磁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50余篇论文, 总计他引9200余次(Web of Science)。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的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, 得到国内外同行广泛关注和正面评价。曾在美国APS年会、德国DPG年会和IEEE国际磁学会议上做邀请报告; 主持国家自然科学基金面上项目3项、中德合作项目1项、科技部重点研发计划子课题2项和973计划子课题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、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。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。