摘要：磁振子是磁性材料中自旋波的量子化激发，因其无焦耳热、低耗散的特性，被广泛应用于自旋电子学和量子计算等领域。与传统的电子传输材料相比，磁振子能够实现毫米级的长距离信息传输，并具有较低的能量损耗。然而，如何有效控制磁振子的传输方向仍然是一个关键挑战，限制了其在拓扑

研究背景

磁振子是磁性材料中自旋波的量子化激发，因其无焦耳热、低耗散的特性，被广泛应用于自旋电子学和量子计算等领域。与传统的电子传输材料相比，磁振子能够实现毫米级的长距离信息传输，并具有较低的能量损耗。然而，如何有效控制磁振子的传输方向仍然是一个关键挑战，限制了其在拓扑磁振子器件中的应用。因此，研究拓扑磁振子的对称性和能带结构对于发展新型自旋电子器件至关重要。

成果简介

在此，南方科技大学刘奇航教授课题组在Nature期刊上发表了题为“Unconventional magnons in collinear magnets dictated by spin space groups”的最新论文。

该团队构建了基于自旋空间群的理论框架，并对 1,421 种共线自旋空间群进行分类，揭示了其中的新型对称性和拓扑能带特性。他们利用高通量第一性原理计算，对 MAGNDATA 数据库中的 348 种共线磁体进行了系统分析，发现了 200 余种具有非常规磁振子的材料。研究表明，该理论不仅能够解释此前实验观测到的磁振子能带多重简并节点现象，还预测了包含十二重节点、八重节点线、四重节点面等多种新奇拓扑磁振子态。

此外，研究团队将所有计算数据开源至自主研发的 FINDSPINGROUP 在线数据库（https://findspingroup.com/），为磁振子材料的筛选与设计提供了重要工具。这一研究突破了传统磁空间群的局限性，为拓扑磁振子的理论发展奠定了基础，并为新型自旋电子和量子计算器件的设计提供了新的思路。

研究亮点

(1) 研究首次基于自旋空间群（SSG）理论，系统描述了共线磁体中的磁振子拓扑特性，得到了对 1,421 种共线自旋空间群的完整分类，并揭示了自旋空间群在描述磁振子能带结构中的关键作用。

(2) 研究通过自旋空间群的对称分析，发现该理论相比传统磁空间群具有更完整的对称性描述，能够解释实验中观测到的多重简并磁振子能带节点等现象。此外，研究系统构建了共线自旋空间群的表示理论，包括对称操作、能带表示及拓扑量子化学理论，并将其应用于高通量材料计算。

(3) 通过高通量第一性原理计算，研究团队在 MAGNDATA 数据库中筛选了 348 种共线磁体，并结合磁交换相互作用和磁振子色散关系，最终确定了 200 余种具有非常规磁振子的材料。这些材料中包含十二重节点、八重节点、四重节点面等多种拓扑磁振子特征，为实验测量和器件应用提供了候选体系。

(4) 研究进一步开发了 FINDSPINGROUP 在线数据库，收录了自旋空间群的全面数据，包括自旋布里渊区、波矢小群、能带表示等，为拓扑磁振子及其材料研究提供了重要的数据支持。该研究为自旋电子学和量子计算等领域的材料设计提供了新思路。

图文解读

图1共线磁体的1421种自旋空间群分类

图2 构建非常规磁振子数据库的工作流程

图3 承载非常规磁振子的材料候选物

结论展望

该研究突破了传统磁空间群理论的局限性，提出了更完整的共线自旋空间群框架，为磁振子能带的对称性分析提供了新的理论工具。这一突破弥补了现有磁性材料拓扑诊断方法的不足，有助于更准确地预测和设计新型拓扑磁振子材料。其次，该研究通过高通量计算筛选出 200 余种具有非常规磁振子特性的共线磁体，展现了自旋空间群理论在实际材料研究中的可行性和应用潜力。这不仅推动了拓扑磁振子在低能耗信息传输中的应用，也为新型自旋电子器件的开发提供了理论依据。最后，研究团队开发的 FINDSPINGROUP 在线数据库，整合了共线自旋空间群的对称性、能带表示及磁振子谱数据，为未来的理论研究和实验验证提供了重要支撑。

总体而言，该研究为拓扑磁振子领域提供了全新的理论视角，有望加速自旋电子学和量子计算材料的发展。

文献信息

Chen, X., Liu, Y., Liu, P. et al. Unconventional magnons in collinear magnets dictated by spin space groups. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08715-7

来源：朱老师讲VASP