近日，我系/应用表面物理国家重点实验室徐长松青年研究员和向红军教授课题组在多铁材料的磁性模型研究中取得进展。相关成果以“Realistic spin model for multiferroic NiI2”为题，于2023年7月20日发表在Physical Review Letters上。

    第二类多铁材料是指由于自旋序打破中心反演而诱导铁电极化的多铁体系，其具有天然的强磁电耦合性质。层状材料NiI2是一种典型的第二类多铁材料，由于其多铁性质可以保持到二维，又在近期获得了更多的关注。实验上确定了NiI2的磁基态为沿<1-10>方向传播的螺旋磁序（proper screw结构）；同时，其自旋旋转面并不垂直于传播方向，而是与之形成约35°的夹角。此前的研究尚无法解释这里的传播方向和特殊的旋转角：所有的第一性原理模型都给出<110>传播方向，而常见的各向异性机制都不能导致35°的倾角。因此，非常需要一个准确的磁性模型来描述NiI2体系的磁性，并进一步指导其多铁方面的研究。

    为获得NiI2准确的磁性模型，该工作基于PASP软件中的对称性分析方法，考虑了所有对称性允许的相互作用形式，并通过第一性原理计算和机器学习方法确定有效哈密顿量中的磁性参数。基于该方法得到的自旋模型具有很高的精度，首次全面且正确地给出了NiI2体系沿<1-10>方向传播的倾斜的螺旋磁序基态（图1）。相比此前的工作，这里发现一种被称为Kitaev相互作用的交换耦合对正确给出基态至关重要。研究发现，如果不考虑Kitaev相互作用，体系的基态确实是沿错误的<110>方向的；Kitaev相互作用的引入，不仅将传播方向修正到<1-10>方向，还自然地出现了35°的旋转倾角。另外，该研究同时基于蒙特卡洛方法的大尺度自旋模拟，预测了NiI2中存在3个互成120°夹角的磁畴和斯格明子等拓扑缺陷，这些预测和过去的实验、理论结果保持一致（图3）。

图1：NiI2的晶体结构及其沿<1-10>方向传播的螺旋磁序基态示意图。

    我系博士后李轩熠为论文第一作者，徐长松青年研究员和向红军教授为共同通讯作者。我系博士生刘博宇、李雪阳特任副研究员、以及阿肯色大学的L. Bellaiche教授参与了该工作。该工作获得了复旦大学物理系，计算物质科学教育部重点实验室，应用表面物理国家重点实验室，科技部国家重点研发计划，国家自然科学基金委，上海期智研究院等的大力支持与资助。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.036701

图2：三角给子的通用磁性相图。

图3：单层NiI2的大尺度自旋模拟。