近日，我院李思教授与合作者在二维交错磁性体系的高阶拓扑态及其自旋与能谷相关物性研究方面取得了重要成果。研究团队基于第一性原理计算与理论分析，预测单层铁氧卤化物Fe₂X₂O（X = Cl、Br、I）是一类新的二维交错磁性实陈绝缘体，并发现实陈拓扑与交错磁性的耦合可进一步诱导自旋极化的拓扑角态。此外，该类二维交错磁性材料还表现出独特的能谷结构，揭示了交错磁性—能谷—自旋—晶格之间的强耦合特性。进一步地，研究预测了一种谷线性二色性效应，可通过线偏振光选择性激发交错磁性体系中的自旋极化能谷态。该研究成果以“Two-Dimensional Altermagnetic Iron Oxyhalides: Real Chern Topology and Valley−Spin−Lattice Coupling”为题，发表在Nano Letters上。西北大学物理学院为第一完成单位，李思教授指导的硕士研究生汪永坤为第一作者，李思教授与香港理工大学杨声远教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金和陕西省自然科学基础研究计划重点项目的资助支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.5c05461

拓扑绝缘体的发现开辟了一个重要的研究领域。最初发现的时间反演不变拓扑绝缘体，如二维HgTe量子阱和三维Bi₂Se₃，在d维体系中会在(d−1)维边界上呈现无能隙的拓扑态。随后，高阶拓扑绝缘体被提出，其拓扑态出现在维度为 (d−n)（n > 1）的边界上。其中，实陈绝缘体是一类重要的二维高阶拓扑相，由一种Z₂型拓扑不变量—实陈数表征，具有拓扑保护的角态，在量子点器件和高效激光等方面具有潜在应用价值。然而，目前已知的实陈绝缘体主要局限于非磁性体系，磁性实陈绝缘体极为有限。因此，寻找新的磁性实陈绝缘体材料，并深入研究磁性与实陈拓扑之间的内在联系，仍然是该领域的重要科学问题。与此同时，近年来交错磁性引起了研究者的广泛关注。交错磁体是一类新的共线磁体，其两个磁子格并非通过空间反演或平移对称性相关联，而是通过某种旋转对称操作相互联系，使体系即便在不考虑自旋轨道耦合的情况下，电子能带中仍可产生显著的自旋劈裂，并在动量空间中呈现交替分布。交错磁性材料展现出一系列新颖物性，如反常霍尔效应、自旋电流产生以及巨隧穿磁阻等。实验上，交错磁性已在多种三维体材料中得到验证，但其在二维体系中的实验实现尚未报道。鉴于二维材料的高度可调控性及其在纳米器件中的应用潜力，探索稳定的二维交错磁性材料及其多自由度物性具有重要科学意义和应用前景。

本研究中，研究团队通过第一性原理计算与理论分析表明，单层铁氧卤化物Fe₂X₂O（X = Cl、Br、I）是一类新的二维交错磁性实陈绝缘体。这些材料具有优异的动力学与热力学稳定性，并呈现d波交错磁性。它们均为半导体体系，且每个自旋通道均具有非平庸的实陈数，因此整体上可视为两个自旋极化实陈绝缘体的叠加。实陈拓扑与交错磁性的耦合进一步诱导出自旋极化的拓扑角态。此外，这类二维交错磁性材料还具有独特的能谷结构，展现出交错磁性—谷—自旋—晶格之间的强耦合特性。研究预测了一种谷线性二色性效应，可通过线偏振光选择性激发交错磁性体系中的能谷态，且所激发的谷极化载流子同时具有自旋极化。特别地，Fe₂Cl₂O还表现出多铁性行为，其磁性与铁弹性共存，较小的外加应变即可实现Néel矢量的翻转。此外，这些交错磁体的电荷和自旋电导率均可通过能谷-自旋极化及应变实现灵活调控。该研究表明，二维铁氧卤化物是探索交错磁性及磁性拓扑态，并应用于自旋电子学与谷电子学的一个极具前景的平台。

图 1.（a–c）单层Fe₂Cl₂O、Fe₂Br₂O和Fe₂I₂O的能带结构及投影态密度。（d）这些材料的两个导带能谷在布里渊区的分布。（e）单层 Fe₂Br₂O的四个价带能谷在布里渊区的分布。

图 2.（a）用于计算角态的纳米盘结构。（b）Fe₂Br₂O纳米盘的能谱。在体能隙中出现四个角态。（c、d）分别对应自旋向上和自旋向下通道的能谱。（e、f）展示了当Néel矢量翻转时，角态的自旋极化也随之发生反转。

图 3.（a、b）单层Fe₂Br₂O在（a）X点和（b）Y点附近的线二色性。（c）两个能谷的光跃迁选择规则示意图。