【科研速递】物理学院徐陈超副教授在Nature Communication发表研究成果

近日，物理学院徐陈超副教授、戴建辉教授联合浙江大学物理学院曹超教授、林海青院士、王孝群教授研究团队在铬基笼目晶格材料CsCr₃Sb₅研究上取得新进展。研究工作揭示了磁性对CsCr₃Sb₅化合物的结构稳定具有重要作用，并进一步报道了常压低温下该化合物的基态是一类非常规磁有序态——“交错磁性态”。相关研究成果以 “Altermagnetic Ground State in Distorted Kagome Metal CsCr₃Sb₅” 为题，发表在Nature Communications（《自然-通讯》，IF=16.1）上。

交错磁性（Altermagnetism）是一种区别于传统铁磁和反铁磁的新型非常规磁有序，是近年来凝聚态物理和自旋电子学领域的研究热点。交错磁性既表现出类似铁磁体的时间反演对称性破缺特征，又保持了反铁磁体的低杂散场优势。因此交错磁性器件集合了铁磁和反铁磁的优点，具备高存储容量、高存储密度、低功耗、电控读写能力、防篡改特性、高频操作性能以及超快动力学响应等优势。

图1 CsCr₃Sb₅的交替磁性自旋密度波态。(a)交替磁性自旋密度波构型。(b)交替磁性态费米能量附近自旋劈裂能带。(c) 交替磁性态的费米面截面。红色/蓝色表示自旋向上/向下

图2 笼目晶格非磁性态和交替磁性自旋密度波态声子谱。(a,b) 常压和30GPa下笼目晶格非磁性态声子谱 (c)常压交替磁性自旋密度波态声子谱

CsCr₃Sb₅是一类二维笼目晶格结构的新型材料，由我校物理学院2013届校友刘艺博士(浙江大学曹光旱教授课题组)近期制备合成。基于第一性原理计算，徐陈超博士对CsCr₃Sb₅的电子结构、磁性和结构稳定性进行了系统研究。通过对该材料2000多个磁构型展开搜索，预测该材料在常压下的基态是一种4x2交错磁性自旋密度波(Altermagnetic-SDW)态，并且具有4a₀结构调制(图1 a)，与CsCr₃Sb₅的低温单晶X射线衍射相一致。在Altermagnetic-SDW态下，能带存在明显的自旋劈裂，且导致自旋极化的费米面(图1 b,c)。这些结果预示着二维层状笼目晶格材料CsCr₃Sb₅在制备自旋电子学器件领域具有巨大的前景。

除此之外，CsCr₃Sb₅是首个在磁性基态附近出现超导的笼目晶格材料。该材料在常压低温下有自旋密度波转变，并伴随着4a₀的结构畸变。通过加压抑制其自旋密度波及结构畸变后，其出现最高转变温度T_c=6.4 K的超导。实验上的这些现象表明CsCr₃Sb₅与铜氧化物、铁基超导体类似，很有可能是一类新型的非常规超导体。理论计算上，徐陈超博士还发现除了Altermagnetic-SDW相以外，存在其他多个能量相近的竞争SDW相。这表明在有限温度下存在强烈的磁性涨落。加压后，竞争序之间的能量差异以及结构调制被抑制。然而，即使在高达30 GPa的压力下，非磁性相的高对称性笼目晶格仍不稳定（图2），表明磁性涨落依然起着重要的作用。这些结果从计算上提供了该材料可能具有非常规超导电性的理论依据。

论文第一作者为我校物理学院副教授徐陈超，我校2013届校友，2022年底回到母校工作，主要从事凝聚态物理的研究，从第一性原理出发研究材料的电子结构、磁性和拓扑性质，先后在Nature, Nature Communications, PNAS, Science Bulletin, Phys. Rev. B 等世界知名期刊上发表论文，主持国家自然科学基金青年项目1项，参与北京凝聚态物理国家研究中心开放课题面上项目各1项，杭州联合基金重点项目1项。