二维过渡金属磁性材料中低能量激发物性及应用的理论研究

Low-dimensional magnetism is an important topic of condensed matter physics. Recently, experimental breakthrough on 2D transition metal magnetic materials have been reported: the long range ferromagnetic order has been realized in monolayer or few-layer CrI3, Cr2Ge2Te6, and Fe3GeTe2. These materials are ideal platforms to explore the rich physics of 2D magnetism. Starting from modeling the low-energy excitation properties in 2D magnetic materials, we will investigate how to characterize 2D magnetic order in realistic transition metal materials. On such basis, we will explore the possibility of achieving more 2D long range magnetic order in layered transition metal materials. Furthermore, we will seek for practical scenarios to apply these newly-discovered magnetic materials to realize some exotic topologically nontrivial quasi-particles in the low-energy excitation regime. Our study will shed new lights on 2D magnetism.

低维磁性是凝聚态物理的一个重要研究方向。近年来，二维过渡金属磁性材料在实验方面取得了重大突破——在以CrI3、Cr2Ge2Te6、Fe3GeTe2为代表的层状过渡金属材料中发现了长程铁磁序。这为我们探索二维磁性中的丰富物理提供了实际的材料平台。我们将从模拟二维过渡金属磁性材料的低能量激发特性出发，研究如何准确表征二维长程磁序。在此基础上，我们将探索在二维过渡金属磁性材料中是否可以实现更多类型的长程磁序。进一步地，我们还将研究如何应用这些具有长程序的二维过渡金属磁性材料实现具有拓扑非平庸特性的低能量激发准粒子。我们的研究将有助于深化对二维磁性物理的理解。

低维磁性是凝聚态物理的一个重要研究方向。近年来，单原子层过渡金属磁性材料的实验实现为我们探索二维磁性中的丰富物理提供了实际的材料平台。我们选取具有代表性的二维磁性材料进行深入研究，在其基态物性表征与调控、低能量激发、自旋动力学演化等方面取得了若干进展。在磁阻挫体系中，通过第一性原理计算及分子动力学模拟，我们揭示了单层CoO2中磁交换与电子关联效应及应变的关系，以及单层1T-TaS2中晶格熵与Mott带隙的内在关联。结合磁光克尔、高分辨电镜及二次谐波实验、第一性原理计算及自旋动力学模拟，我们发现层状Fe3GeTe2在单轴压力下形成了一种铁磁/反铁磁共存相，由此产生的新奇交换偏置效应展示出无“疲劳效应”、可延拓等特征，可望应用于小型化自旋器件。通过对与CrI3同构的CrMnI6等体系的对称性分析及磁交换作用的精确计算，我们在此类多元磁性体系中发现了强DM相互作用、拓扑磁激发如半子、斯格明子等，以及由此产生的拓扑磁光响应。我们的发现为深入理解二维磁性材料体系中自旋与电荷/晶格的相互作用、磁交换作用的各向异性及手性、拓扑磁结构的产生、探测及动力学演化提供了丰富的实例，有助于拓宽此类材料的应用。