近期，戴瑛教授团队在二维自旋耦合物理研究方面取得系列新进展，相关成果分别发表在Adv. Funct. Mater., Small, Nano Lett.等期刊上。
进展一：在凝聚态物理中，拓扑可同时存在于实空间与动量空间。动量空间拓扑的典型代表之一是能带拓扑，例如量子反常霍尔效应，其特征为非零量子化的动量空间几何相位，由陈数C表征，该拓扑不变量保证了手性边缘态的存在，可以实现无耗散的电流输运，为低功耗存储与逻辑器件奠定了基础。实空间拓扑则表现为磁斯格明子、磁双半子等拓扑磁，其非零量子化的拓扑荷Q不仅赋予这类自旋花纹拓扑稳定性，更使其在外场作用下呈现准粒子特性，成为高性能自旋电子器件的理想信息载体。理论上，这两个存在于不同空间的拓扑在二维磁体中可实现共存与耦合。这种多空间拓扑机制不仅能改变材料的本身性质，更为连接实/动量空间拓扑物理搭建了桥梁，具有重要基础价值与应用潜力。然而受限于不同空间拓扑共存体系的稀缺性，多空间拓扑耦合机制至今尚未获得清晰的理论阐释。基于第一性原理计算和蒙特卡洛模拟，团队在二维铁磁晶格中发现拓扑磁与能带拓扑相互作用诱导的多空间拓扑效应。基于连续介质理论与紧束缚模型，揭示了磁斯格明子/磁双半子与量子反常霍尔效应间的关联会产生局域的手性束缚态。通过磁场调控拓扑磁，可实现伴随不同手性束缚态的多空间拓扑切换，并伴有手性束缚态空间分布的变化。通过第一性原理计算与原子自旋级模拟，证明了单层Cr2NSb中存在着强耦合的多空间拓扑。该发现不仅拓展了拓扑物理的研究维度，更为二维晶格体系的多空间拓扑调控开辟了新路径。相关研究成果以“Coupling Multi-Space Topologies in 2D Ferromagnetic Lattice”为题发表在Adv. Funct. Mater.国际期刊上。论文第一作者为2022级博士生何仲麟，马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
进展二：光-自旋耦合效应作为基础物理研究与器件应用领域备受关注的重要现象，近年来发展迅速。然而。目前相关研究主要集中在传统磁性体系中，而光与拓扑磁性之间的相互作用机制尚不明晰。本文结合第一性原理计算、实时的含时密度泛函理论（rt-TDDFT）以及原子自旋动力学模拟，系统研究了单层CrInSe3在激光脉冲作用下拓扑自旋特性的演化规律，首次实现了铁磁-反铁磁斯格明子的超快反转。理论研究表明，该物理过程源于激光诱导的自旋选择性电荷转移、显著退磁效应以及随时间演化的磁相互作用。特别值得关注的是，光激发可导致体系发生铁磁-反铁磁交换作用的转变，而动力学分析进一步揭示，该过程伴随着拓扑磁性从铁磁型到反铁磁型斯格明子的相变演化，展现出光场与拓扑磁性之间新颖的相互作用机制。本研究为拓扑磁性的超快调控提供了全新的技术路径。相关研究成果以“Ultrafast laser driven ferromagnetic-antiferromagnetic skyrmion switching in 2D topological magnet”为题发表在Small国际期刊上。论文第一作者为2023级博士生窦恺莹，马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
进展三：铁谷性（Ferro-valleytricity）作为自旋轨道耦合（SOC）诱导自发谷极化的典型效应，传统理论认为其仅存在于具有面外自旋磁化的二维材料体系中。本研究突破传统理论框架，基于微观模型分析提出"三角晶格-非共线磁序"协同机制，在面内自旋磁化二维材料中实现SOC诱导的谷极化与铁谷性。研究团队系统揭示了面内自旋磁化体系实现铁谷性的双重关键条件：时间反演-镜面反射联合对称性破缺，且保留镜面对称性以产生谷极化。理论计算表明，通过调控面内自旋磁化的非共线偏转角度，可成功实现SOC诱导谷极化的可控翻转。第一性原理计算表明该机制在具有本征多铁性的三角晶格材料单层W3Cl8可以实现，同时还证明了通过外加电场调控可以驱动谷极化的反转，为多场耦合调控提供了实验可行的方案。上述研究不仅将铁谷性研究范畴从传统面外磁化体系拓展至更广泛的二维材料体系，更为基于多铁性材料的低功耗谷电子器件设计奠定了新的理论基础。相关研究成果以“Ferro-Valleytricity with In-Plane Spin Magnetization”为题在线发表在Nano Lett.国际期刊上。论文第一作者为2024级博士生刘毅博，马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
进展四：二维材料体系中能谷自由度的量子调控在凝聚态物理与量子信息科学领域具有基础性研究价值。当前该领域研究主要聚焦于时间反演对称性破缺的磁性二维体系。针对这一理论局限，团队提出利用范霍夫奇点（vHS）的电子不稳定性，通过空穴掺杂在非磁性体系中诱导时间反演对称性破缺，可以成功将能谷效应拓展至二维非磁性体系。理论预测发现该机制可产生区别于传统反常能谷霍尔效应（AVHE）的新型量子现象，被定义为非平衡态AVHE，并基于第一性原理计算，在非磁性单层In2Se3铁电体中验证了这一机制。该工作突破了传统能谷物理研究的材料体系限制，为二维非磁性多铁体系中的能谷调控建立了全新研究范式。相关研究成果以“van Hove Singularity-Induced Non-Equilibrium Anomalous Valley Hall Effect in a Two-Dimensional Lattice”为题发表在Nano Lett.国际期刊上。论文第一作者为2023级硕士生柴树妍，马衍东教授、戴瑛教授以及李新茹教授为共同通讯作者，山东大学为唯一作者单位。
上述工作是团队继2024年在二维晶格物性研究(Nano Lett. 2024, 24, 3507; Nano Lett. 2024, 24, 10490; Adv. Funct. Mater. 2024, 34, 2400971; Adv. Energy Mater. 2024, 14, 2303953; Adv. Sci 2024, 11, 2407982; Mater. Horiz. 2024, 11, 6391; Mater. Horiz. 2024, 11, 6082; Mater. Horiz. 2024, 11, 5374; Phys. Rev. B 2024, 110, 155428; Phys. Rev. B 2024, 109, 024420)系列工作方面的新进展。
以上工作得到了晶体材料国家重点实验室、国家自然科学基金、山东大学齐鲁学者计划和山东省泰山学者青年专家项目等的支持。
进展一：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414922
进展二：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202412320
进展三：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c05102
进展四：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c00612
