华中科技大学物理学院徐刚教授团队在多极矩物态计算方法上取得重要进展

9月29日，《物理评论快报》(Physical Review Letters)在线发表了物理学院徐刚和高锦华教授团队题为《多极矩物态的高效预测方法及其在RuX₃(X=Cl,I)中的应用》(Efficient Method for Prediction of Meta-stable or Ground Multipolar Ordered States and its Application in Monolayerα-RuX₃(X=Cl,I))的研究成果。华中科技大学物理学院2015级博士生邱温轩为论文的第一作者。中国科学技术大学的王义林教授，中科院物理所的崔志海硕士，普林斯顿大学的宋志达博士，以及我院的邹金雨博士、罗爱云同学共同完成了相关工作。

在强自旋轨道耦合关联电子体系中，自旋磁矩与轨道磁矩（它们都是偶极矩）会耦合形成一些高阶的序参量，称为多极矩序参量。近年来，人们发现在4d/5d化合物中多极矩会主导它们的一些物性，带来更丰富有趣的有序态和激发态，诸如“隐参量”相变、多极矩近藤效应、奇异磁电耦合、非线性霍尔效应等。目前，多极矩序参量在实验表征和理论计算方面都存在极大的挑战。理论上主要是缺少从第一性原理计算预测和计算多极矩序参量的快速有效方法。

图一：多极矩序参量计算流程图

工作中，徐刚及其合作者利用基于无规相近似的线性响应理论，发展了一套从第一性原理计算出发快速高效地预测多极矩序参量的方法（计算流程图如图一所示）。他们将该方法应用到单层蜂窝状结构的RuX₃（X=Cl, I）体系。如图二(a)、(b)所示，他们在RuCl₃中找到两种纯八极矩亚稳态Oc-II和Oc-IV。随后，他们讨论了八极矩的形成条件，并通过计算发现反向排列的八极矩态在RuI₃中会成为基态（如图二(c)-(d)）。最后，他们讨论了Oc-II和Oc-IV相关的奇异物理性质，包括：1.这种磁八极矩序参量打破时间反演对称性，但不表现出任何宏观磁性；2.在同向排列的Oc-II态中施加xz平面的旋转磁场，可以在y方向诱导出如图二(e)所示的交变振荡的正交磁矩M_y——实验上可以据此验证Oc-II态的存在。该工作为人们快速有效地计算多极矩序参量提供了新方法，为寻找相关材料、研究多极矩奇异物性提供了新思路。后续还可以在这个方法的基础上把磁场等外场的作用加进来，进一步拓展人们对多极矩序参量及其相关物性的研究能力。