近日，中国科学技术大学化学与材料科学学院、精准智能化学全国重点实验室、合肥微尺度物质科学国家研究中心理论与计算化学研究团队在二维交变磁体材料设计方面取得进展。研究团队提出了一种基于化学对称性破缺的二维金属有机框架（MOF）交变磁性设计策略，为在有机和网状材料体系中构筑交变磁体候选材料提供了新的理论思路。相关研究成果以“Engineering Altermagnetic Transitions in Two-Dimensional Metal–Organic Frameworks via Chemical Symmetry Breaking” 为题，7月16日在线发表于Journal of the American Chemical Society。
交变磁体是一类具有零净磁化强度、同时表现出动量依赖自旋分裂的磁性相。与传统反铁磁体相比，交变磁体中相反自旋亚晶格之间的对称性关系不同，使其能够在不依赖强自旋–轨道耦合的情况下产生自旋分裂，在自旋电子学研究中受到广泛关注。然而，交变磁性的实现受到严格晶体对称性条件的限制，如何从化学设计角度构筑满足相应对称性要求的材料体系，仍是该领域的重要问题。
图1.基于非对称化学修饰的反铁磁-交变磁转变策略示意图
针对这一问题，研究团队从反铁磁体与交变磁体均具有反平行磁序和零净磁化强度这一共同特征出发，提出通过非对称配体修饰调控局域磁性位点对称性，从而改变相反自旋亚晶格之间的连接方式。该策略的核心在于，将常规反铁磁体中由平移或反演联系的相反自旋亚晶格，转变为由旋转或镜面对称操作联系的亚晶格结构，从而在满足磁补偿和对称性要求的情况下诱导交变磁性。
图2. 本征与氟化铬酞菁的晶体结构及对称要素
研究团队以二维铬酞菁金属有机框架为理论模型，利用第一性原理计算系统考察了非对称化学修饰对材料结构、磁性和电子能带的影响。结果表明，非对称氟化能够降低 Cr 磁性中心的局域对称性，并在满足相应对称性条件的改性结构中产生动量依赖自旋分裂和各向异性自旋密度分布。进一步的氧修饰模型表明，该化学对称性调控思路具有一定可调性，可通过配体环境调节自旋分裂强度和磁相互作用。
图3. 本征与氟化铬酞菁的电子能带与自旋密度分布
研究团队在论文中明确区分了严格意义上的交变磁性构型与一般低对称性自旋分裂构型。研究指出，动量依赖自旋分裂本身并不足以作为交变磁性的唯一判据；只有当相反自旋亚晶格之间仍由特定非平庸空间对称操作联系，并保持磁补偿时，相关体系才可归类为交变磁体候选材料。这一界定有助于避免将一般对称性破缺导致的自旋分裂与交变磁性相混淆，也增强了该设计策略的理论严谨性。
该研究从化学修饰和对称性调控的角度，为二维有机和网状材料中的交变磁性设计提供了新的理论框架。研究结果表明，金属有机框架材料的结构可设计性和配体可调性，为探索对称性主导的非常规磁性提供了有价值的平台。未来仍需在材料稳定化设计、长程有序合成和实验表征等方面开展进一步研究，以推动相关交变磁体候选材料的实验验证。
论文共同第一作者为中国科学技术大学博士生徐培博、车沂轩，通讯作者为武晓君教授和吕海峰副研究员。该研究得到国家自然科学基金等项目支持。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c22635
