研究成果一：2021级本科生苏梦级提出二维全补偿亚铁磁体
材料与物理学院光电信息科学与工程专业2021级本科生苏梦同学，以第一作者身份在国际物理学术期刊Phys. Rev. B112 (19), 195427 (2025)(“Interlayer-sliding controlled magneto-optical effect and ferrovalley in fully compensated ferrimagnetic bilayer”, 论文链接：https://doi.org/10.1103/xp3c-m8x9)发表学术论文。同时也是其共同主持的国家级大学生创新训练计划项目获得研究成果。
二维全补偿亚铁磁体既保留了传统反铁磁体对外磁场的本征抗干扰性和超快动力学优势，又突破了自旋极化需外场诱导的限制，在零磁场条件下即可实现能带自旋劈裂，为自旋电子器件的开发提供了全新材料平台。具有非相对论性自旋劈裂的补偿磁体(如交错磁体和全补偿亚铁磁体)在实空间中实现了磁矩的完全补偿，具有严格为零的磁化强度，而动量空间却存在显著的自旋劈裂现象。这种独特的电子能带结构突破了传统反铁磁材料的局限，具有反常霍尔效应、磁光效应和手性磁子激发等优异的物理性质。从应用角度分析，这些特性使补偿磁体在多个技术方向展现优势，如低功耗自旋存储器的开发、高灵敏度磁传感器的构建和量子信息处理等。特别值得关注的是，全补偿亚铁磁体容易与铁电序发生耦合，仅需施加电场就可以调节磁光效应与铁谷性质，无需翻转奈尔矢量，为实验操作提供了新途径。
二维TaN2H2双层为本征室温滑移多铁材料，同时具有铁电性和补偿亚铁磁性。TaN2H2双层展现出依赖于铁电极化的非相对论性自旋劈裂，这种铁电与补偿亚铁磁耦合的特性导致用电场调控磁光克尔效应和谷极化成为可能，该耦合机理可通过自旋群与磁群理论得到合理解释。此外，TaN2H2双层中谷极化的数值大小与非相对论性自旋劈裂有关，而不是自旋轨道耦合常数。电场可以有效调控非相对论性自旋劈裂和谷极化的数值大小，从而可以诱导体系由谷半导体到谷半金属转变。
二维TaN2H2双层的能带结构、最高价带的自旋劈裂、磁各向异性示意图以及奈尔温度
中国矿业大学2021级本科生苏梦是该论文的第一作者，该同学已保研中国科学技术大学物理学院研究生，王建利副教授为通讯作者。
研究成果二：2021级本科生张伊凡在二维Ti2F3多铁半导体中的磁相变和磁光效应领域取得进展
材料与物理学院应用物理学专业2021级本科生张伊凡同学以第一作者身份在国际物理学术期刊Appl. Phys. Lett.127 (15), 152904(2025)(“Electric field tunable magnetic phase transition and magneto-optical effects in two-dimensional multiferroic Ti2F3 semiconductor”, 论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0293742)发表学术论文。
低维磁电多铁材料为发展基于铁电-磁性集成效应的新型信息存储处理以及磁电器件提供了巨大的潜在应用前景。磁性半导体中通过铁电序和磁序的交叉耦合调控，可同时控制电子的电荷、自旋和极化等属性，实现信息处理、传输和存储功能集成在单一芯片的功能。然而，由于铁电序和磁序的物理起源不同，现实中本征室温低维磁电多铁半导体材料非常罕见。结合第一性原理计算和蒙特卡洛模拟，研究了二维Ti2F3多铁半导体的原子结构、电磁及铁电特性，探究了电场对其磁相变和磁光效应的调控效果。
研究结果显示二维Ti2F3单层是本征室温铁磁多铁性半导体，具有易磁化面。该材料兼具动力学稳定性和热力学稳定性，磁各向异性能为0.133 meV/f.u.，居里温度 (TC) 高达309 K。通过施加不同强度的电场，发现0.4 V/Å大小的正向电场导致Ti2F3单层的磁基态从铁磁态转变为反铁磁态转变，且相变前后均保持间接带隙半导体特性。铁磁基态下带隙随电场增强而增大，而反铁磁基态下带隙则降至0.61 eV。此外，二维Ti2F3单层由于同时打破时间反演和空间反演对称性，呈现显著的磁光克尔效应（MOKE），最大克尔角高达31.41 mrad（1.8°），且0.1-0.4 V/Å电场范围内磁光效应均可有效调控。因此，二维Ti2F3单层通过电场能够实现磁相变与磁光效应的有效调控。研究结果为设计下一代多功能存储电子器件和低维自旋电子器件提供了理想候选材料和有效调控策略。
二维Ti2F3多铁半导体的电磁性质与磁光克尔效应。
中国矿业大学2021级本科生张伊凡是该论文的第一作者，该同学已保研东南大学物理学院研究生，王建利副教授为通讯作者。
研究成果三：2022级本科生张志伟在二维双金属MXene磁体中的全补偿亚铁磁性领域取得进展
材料与物理学院应用物理学专业2022级本科生张志伟同学以第一作者身份在国际物理学术期刊Nanoscale, 17 (39), 22898–22904 (2025)(“Fully compensated ferrimagnetism in a Cr2TiC2 monolayer MXene”, 论文链接：https://doi.org/10.1039/D5NR02850G)发表学术论文。
同时也是其主持的校级大学生创新训练计划项目获得研究成果。该论文被Nanoscale期刊选为2025年热点论文(HOT Article Collection)。
自旋电子器件同时利用电子的电荷和自旋自由度进行信息的传递、处理与存储，具有低功耗，高集成度，非挥发性等特点。铁磁体由于反常霍尔效应和磁光效应等物理效应容易被探测或读取，但其固有的杂散场、对外部扰动敏感以及受限的工作频率等特性，严重限制了高密度、高稳定性、高速度的自旋电子学器件的潜在应用。反铁磁体本征的磁耦合使它们具有显著优势，例如无杂散场、抗扰动的稳健性和超快动力学，但其自旋简并的能带结构使其难以被探测读取而限制了其潜在应用。
对于自旋电子学领域难以兼顾高密度集成与高效信号读取的瓶颈——即铁磁体因杂散场限制集成度，而反铁磁体因自旋简并难以被探测读取的根本矛盾。我们提出一种具有超高奈尔温度的二维Cr2TiC2单层碳氮化物(MXene)，其具有本征的反铁磁性。通过施加垂直电场，实现了从反铁磁态到全补偿亚铁磁态的转变，这种磁态融合了反铁磁体零净磁化(无杂散场、抗干扰)与铁磁体自旋分裂(具备半金属性、易读取)的双重优势，并且可以通过磁光克尔效应进行实验观测。基于此设计了全新的磁性隧道结模型，为未来开发室温兼具高稳定性与低能耗的下一代自旋电子学器件提供理论方案。
二维Cr2TiC2单层的结构、磁学性质、克尔频谱以及不同磁态的能带。
中国矿业大学2022级本科生张志伟是该论文的第一作者，该同学已保研复旦大学集成电路与微纳电子创新学院研究生，获2025年中国矿业大学小米特等奖学金(全校共10人)，王建利副教授为通讯作者。
