南京大学物理学院李建新课题组预言转角体系中存在拓扑巡游磁振子和自旋激子并提出电控磁子拓扑的新方案

近日，南京大学物理学院李建新课题组在转角过渡金属硫化物体系中取得重要理论进展。该工作结合连续模型、严格对角化等理论计算方法，首次预言了转角二碲化钼中存在拓扑巡游磁振子和自旋激子，指出巡游磁振子和自旋激子的非平庸拓扑性质继承于其底层电子能带，并提出了一种通过垂直电场调控磁振子拓扑性质的新方案。

过渡金属硫族化物莫尔超晶格凭借其高度可调的平带电子结构，近年来在探索关联效应与拓扑物理方面取得了一系列瞩目成果（如非常规超导和整数及分数量子反常霍尔效应），成为凝聚态物理领域的前沿热点。然而，相对于电荷自由度，此类体系中自旋激发及其拓扑性质的研究仍有待深入。磁振子作为磁性体系中的信息载体，因其电中性可避免焦耳热损耗，被视为实现低功耗器件的理想候选；拓扑磁子则受益于受拓扑保护的稳定性及边缘态无耗散传输潜力，在自旋电子学领域展现出广阔应用前景。传统体系中观测到的拓扑磁振子通常存在于强关联莫特绝缘体中，其被冻结的电荷自由度极大地限制了外场调控手段的发展，特别是电场调控难以实现。此前转角二碲化钼中量子反常霍尔效应的发现，不仅确证了其存在自旋极化的巡游铁磁基态，更为在电荷自由度活跃的巡游体系内探索全新磁性激发及其拓扑性质提供了关键契机。

图1：粒子-空穴束缚态图像以及磁激发拓扑与电子拓扑的继承关系（左图），

自旋激子产生于电子能隙对束缚态的劈裂（右图）

该工作结合连续模型、严格对角化等理论计算方法，对转角双层二碲化钼材料的磁性性质开展了系统性研究。结果表明，该体系中存在拓扑巡游磁振子和自旋激子。进一步地，该工作指出，巡游磁性系统磁激发非平庸拓扑的产生机制与局域自旋系统存在本质差别。局域自旋系统中拓扑磁振子通常由自旋交换作用，如Dzyaloshinskii-Moriya相互作用诱导产生。而对于巡游磁性系统，理论分析表明，其中的磁振子和自旋激子本质上是自旋相反的电子–空穴对激发在强相互作用的禁闭效应下形成的束缚态，其非平庸拓扑性质继承于其底层电子能带的非平庸拓扑性(见图1)。与通常自旋系统中磁激发的区别是，拓扑巡游磁振子依然保有很强的磁电耦合。以此为基础，该工作进一步揭示，通过对体系施加垂直电场，巡游磁振子和自旋激子的拓扑性质会发生显著改变，从而实现了电控磁振子拓扑性质的突破，为低功耗磁振子器件的电学操控开辟了新路径。

该工作进一步提出了实验验证方案。动力学自旋结构因子计算结果显示，电场调控下磁振子的拓扑相变以磁振子能隙先闭合再打开为特征[见图2(a)]。拓扑相变前后，磁振子能带的贝利曲率同样会发生显著变化[见图2(d)]，而这也会给体系横向热霍尔电导的电场依赖[见图2(b)]和温度依赖[见图2(c)]带来显著的变化。这些计算结果表明，该体系中的磁振子拓扑相变可以通过谱学(比如非弹性X射线散射)和热输运手段进行实验探测。

图2：磁振子拓扑相变的谱学（上图）与霍尔热导（左下两图）的理论计算，

相变前后磁子贝利曲率的分布（右下图）

该工作预言了拓扑巡游磁振子和自旋激子在转角莫尔晶格构建的平带体系中普遍存在，其依赖于强关联效应诱导的自旋自发极化以及非平庸的电子能带拓扑。这些发现不仅拓展了拓扑磁振子学的研究范畴，还为未来转角体系中磁性质的实验探测提供了理论依据，有望推动低功耗自旋器件的发展。

该成果以“Itinerant topological magnons and spin excitons in twisted transition metal dichalcogenides: Mapping electron topology to spin counterpart”为题，在线发表在《National Science Review》上[Natl. Sci. Rev. 13: nwaf354 (2026)]。课题组博士研究生周卫涛和南京理工大学副教授董召阳为共同第一作者，南京大学顾昭龙副研究员和李建新教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、人工微结构协同创新（2011）中心的支持。

论文链接：

https://academic.oup.com/nsr/article/13/4/nwaf354/8240266