近日，中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室副主任姚道新教授团队在交错磁体的拓扑磁激发领域取得重要理论进展。研究首次建立蜂巢晶格上的四子晶格共线交错磁体模型，揭示体系中非相对论性 Weyl 磁子与受 Z₂拓扑保护的节线磁子的实现机理，并进一步探究体系对应的自旋输运特性与爱因斯坦–德哈斯效应。
交错磁体（altermagnet）是凝聚态物理与自旋电子学领域的前沿研究方向。该类体系兼具反铁磁零净磁矩与铁磁型动量空间自旋劈裂特征，为探索全新自旋准粒子行为提供独特平台。磁子作为磁有序体系自旋集体激发的准粒子，其能带可以拥有非平庸贝里曲率、拓扑不变量与拓扑边缘态，并衍生磁子热霍尔效应、自旋能斯特效应等丰富输运现象。当前绝大多数拓扑磁子理论方案依赖自旋–轨道耦合诱导的 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用（DMI）；如何在弱自旋轨道耦合、乃至不引入 DMI 的条件下实现拓扑磁子，是磁子学领域亟待解决的关键科学问题。
姚道新教授团队以二维蜂巢晶格共线交错磁有序体系为研究对象，提出一种无需显式引入 DMI的拓扑磁子实现机制。团队构建基于四子晶格的海森堡模型，体系以共线奈尔磁序为基础，引入不等价次近邻交换耦合；依靠交换相互作用、磁序构型与晶体对称性共同调制磁子能带结构，使得相反手性的磁子能带发生非相对论性手性劈裂。研究系统阐明 Weyl 磁子、具有 Z₂拓扑特征节线磁子的形成条件与对称性保护机制，并拓展研究该拓扑磁激发体系的自旋输运行为与爱因斯坦–德哈斯效应等，为在交错磁体中实现拓扑磁子、探索拓扑磁子输运与磁–力学耦合效应提供了重要的理论依据与思路支撑。
图1 共线交错磁体的晶格、拓扑磁子及输运示意。（a）蜂窝晶格上的 Néel 磁序、布里渊区，以及左右手性磁子的角动量与自旋能斯特输运；（b）扶手椅型纳米带的边缘谱函数及拓扑边缘态；（c）温度梯度驱动自旋极化磁子流的实验示意图。
该研究建立了蜂巢晶格上的四子晶格共线交错磁体模型，系统揭示了其中无DMI拓扑磁激发的物相演化规律。研究证实，通过调控次近邻交换耦合参数等，体系可实现不同的拓扑磁子激发，分别为Weyl磁子与Z₂拓扑节线磁子。在节线磁子中，正反手性磁子能带沿高对称方向呈现受保护的能带简并，并可发生劈裂并演化为成对Weyl节点，在有限纳米带结构上产生拓扑手性边缘态。研究进一步提出，除传统陈数与Z₂拓扑不变量外，磁子手性是刻画、区分该类拓扑磁态的关键特征物理量，完善了拓扑磁子的表征体系。基于上述拓扑磁子能带结构，团队系统探究了温度梯度驱动的拓扑磁子输运行为。由于正反手性磁子在能量色散、态密度分布、Berry曲率分布上存在差异，在横向自旋输运的贡献无法完全抵消，可自发产生横向自旋流，实现磁子自旋能斯特效应。计算结果表明，体系van Hove奇点可显著增强局域磁子态密度，与强Berry曲率协同耦合，从而放大拓扑磁输运响应。该团队还进一步研究了该体系独特的旋磁响应与角动量耦合机制，可以在爱因斯坦-德哈斯效应中探测。具有非平庸Berry曲率的拓扑磁子波包可以携带自转角动量与边缘流角动量，由于声学支与光学支磁子的Berry曲率符号相反，二者对体系旋磁响应的贡献相互竞争，从而使微分旋磁比随温度演化呈现显著峰值与符号反转行为。依据爱因斯坦-德哈斯效应，由于总角动量守恒，磁子体系的角动量变化可通过晶格机械转动补偿，产生宏观的力学扭矩，为零净磁矩交错磁体系的手性磁子劈裂提供了新的实验识别方案。
图2 Weyl 磁子、节线磁子及其拓扑响应。（a）不同交换参数下微分旋磁比的温度依赖；（b）Weyl 磁子的边缘态、态密度、Berry 曲率加权态密度与自转角动量加权态密度；（c）Weyl 磁子与节线磁子的相图、节线开隙后的 Berry 曲率及磁子自旋能斯特响应系数。
该工作建立了无DMI、纯交换耦合调控的拓扑磁子物理框架，阐明了交错磁体通过晶体-自旋联合对称性、交换耦合重构实现Weyl节点、拓扑节线、手性边缘态的微观物理机制，实现了拓扑磁子能带、自旋输运、旋磁响应的系统性统一描述。研究突破了传统拓扑磁子依赖自旋轨道耦合与DMI的固有局限，不仅拓展了交错磁体拓扑玻色激发的研究体系，也为弱自旋轨道耦合磁性材料、拓扑电路、超冷原子光晶格等无SOC模拟平台的拓扑量子研究提供了理论参考。
同时，姚道新教授团队围绕蜂巢晶格共线交错磁体还开展了从磁子到电子、从一阶拓扑到高阶拓扑的系列研究。基于蜂巢晶格，团队分别构造了玻色型和费米型有效模型，在零净磁矩条件下利用非相对论性自旋劈裂实现了丰富的拓扑物态。在磁子体系，团队通过引入反铁磁层间耦合，将具有一阶拓扑磁子态的共线交错磁蜂巢晶格模型推广至三维，在玻色Bogoliubov-de-Gennes框架下发现了二阶拓扑磁子绝缘体（Chinese Physics Letters 42, 120703（2025）），揭示了二维角态和沿棱传播的三维铰链态，将交错磁性与高阶拓扑融合，为基于磁子的量子计算处理、高能效集成架构及信息传输开辟了新路径。在电子体系，团队构建了无需SOC的蜂巢交错磁体紧束缚模型，揭示了键二聚化和交错磁序共同驱动下Dirac点向Weyl点的演化，发现Berry曲率在Weyl点附近高度集中，进而产生拓扑保护的手性边缘态、反常霍尔电导和谷霍尔电流（Front. Phys., 21，095208（2026））。
这些工作共同表明，蜂巢晶格上交错磁体是一个能够在磁子与电子两类准粒子中承载丰富拓扑态的统一平台，其拓扑响应可从一阶延伸至高阶，为超冷原子光晶格、拓扑电路等模拟体系中探索多阶拓扑物态提供了系统的理论支撑。
相关成果以 “Topological magnons in a collinear altermagnet” 为题发表于国际综合性权威期刊Science Bulletin（中山大学为第一完成单位，2026 年影响因子 20.7）。中山大学物理学院博士研究生张梦菡为论文第一作者，肖璐为论文共同作者，本实验室副主任姚道新教授为论文通讯作者。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东特支计划领军人才项目、广东省磁电物性分析与器件重点实验室、广东省磁电物性基础学科研究中心（物理学）、广东省量子科学战略专项等项目的资助。
