近日，北京理工大学物理学院余智明教授、张闰午研究员和姚裕贵院士团队在反铁电性的研究中取得重要进展。该团队超越传统反铁电理论框架，提出了“第二类反铁电性”的概念，在第二类反铁电体中首次实现了反铁电序参量的定量研究，并极大地拓宽了反铁电材料的存在范围。通过对称性分析，该团队给出了第二类反铁电性在晶体中的存在条件，发现该体系中反铁电序参量和反铁磁序或交错磁序必然耦合在一起，展现出稳健且新奇的磁电耦合效应。该工作以“Type-II Antiferroelectricity”为题发表于国际物理学顶级期刊《Physical Review Letters》。北京理工大学为该工作的第一完成单位，余智明教授、张闰午研究员、杨声远教授（香港理工大学）和姚裕贵教授为论文的共同通讯作者，博士生汪洋为论文的第一作者，崔朝喜、韩依琳，何婷丽和吴维康（山东大学）等参与了该项研究工作。该工作得到科技部重点研发计划和国家自然科学基金等项目的支持。

反铁电性是物理和材料科学中一个重要的基本概念，于20世纪50年代被提出。传统反铁电体中电偶极矩在晶格内以反平行方式有序排列，净电极化为零，如图1所示。迄今为止，反铁电材料已在多个材料体系中被发现，并因其在高性能电容器、固态制冷、致动器、换能器以及存储器件等方面的潜在应用而受到广泛关注。但是，传统反铁电体一直存在一个关键的基本问题，也即，其与现代电极化理论并不完全相容，使得反铁电序在传统反铁电体中没有公式进行定量计算，在实际中只能近似估计。

图1：(a) 传统反铁电体，(b) 第二类反铁电体

近日，北京理工大学余智明教授，姚裕贵院士团队和香港理工大学杨声远教授合作超越传统反铁电理论框架，创新性地提出了一类新的反铁电体：第二类反铁电性。在第二类反铁电体中，体系的反铁电性并非来自实空间的晶格畸变而是不同本征态的电子具有相反的电极化。具体而言，第二类反铁电体的价带可通过对称性分解为相互解耦但又有对称性联系的两个子空间。在这两个子空间中，价带电子的电极化可以通过贝里相位理论严格计算得到，假定为P+和P-。当P+=- P-，体系的净极化为零，但具有可良好定义并严格计算的反铁电序：Q= (P+- P-)/2。对称性分析表明第二类反铁电体中反铁电序必然与反铁磁序或交错磁序共存，即它们具有内禀的多铁性。根据对称性的差异，第二类反铁电体可进一步划分为多个子类，例如自旋反铁电和镜面反铁电等。研究团队也列出了能够荷载自旋反铁电和镜面反铁电的晶体群。

图2：(a) 晶格模型，(b) 电子能带，(c) 反铁电序和反铁磁序的耦合关系

图3：(a) FeS的晶格结构，(b) 电子能带，(c) 自旋分辨的电极化

进一步，研究团队也构建了具体的晶格模型以展示其基本物理机制，并在多种材料体系中预言了具体的自旋反铁电材料，包括FeS、Cr₂O₃、MgMnO₃、单层MoICl₂以及双层CrI₃。相比于传统的反铁电体，第二类反铁电体会表现出独特物理性质，例如在反铁电序翻转时会产生纯自旋电流、在边界和畴壁处会出现自旋极化，以及强磁电耦合效应。

图4：(a) 单层MoICl₂ 的晶格结构，(b) 非相对论能带

该研究揭示了一类不同于传统反铁电体的新型反铁电体系。第二类反铁电体的提出不仅极大地扩展了反铁电材料的存在范围，而且其本征多铁性和独特性质在基础研究和潜在器件应用方面均具有重要意义。

图5：(a) 自旋反铁电序翻转产生自旋流的示意图，(b) 自旋反铁电体的畴壁处可具有自旋积累，(c) 异质结的能带，(d) 自旋极化能带的实空间分布。

文章信息（*为通讯作者）：Yang Wang, Zhi-Ming Yu*, Chaoxi Cui, Yilin Han, Tingli He, Weikang Wu, Run-Wu Zhang*, Shengyuan A. Yang*, and Yugui Yao*, “Type-II Antiferroelectricity”, Phys. Rev. Lett. 136, 106402 (2026).

文章链接：https://doi.org/10.1103/p3xh-f5bx

附通讯作者简介：

张闰午，北京理工大学研究员、博士生导师。长期从事量子材料新物态、新效应及新物性调控，迄今发表论文50余篇，包括11篇Phys. Rev. Lett.，2篇Adv. Funct. Mater.，1篇ACS Nano，2篇 Nano Lett.等。总引用2900余次，H指数27，8 篇论文单篇引用超 100 次。主持国家自然科学基金项目2项、北京市自然科学基金面上项目1项、凝聚态物理国家中心开放课题项目1项、博士后基金一等资助1项、博士后基金站中特别资助1项。荣获北京市本科生毕业设计（论文）优秀指导教师、山东省自然科学二等奖、IOP高被引作者奖等，担任Phys. Rev.系列、ACS系列等学术期刊审稿人。

余智明，北京理工大学长聘教授、入选国家高层次青年人才计划。长期从事以对称性理论为研究工具，系统探索新型量子材料中的新材料、新机制和新应用。迄今，共发表SCI 论文100余篇，研究成果被国内外同行正面评价和广泛引用，谷歌学术总引用9200余次，H指数49，包括15篇Phys. Rev. Lett.，1篇Prog. Mater. Sci.，和5篇Nat. Commun.，2篇Sci. Bull. (其中1篇获Science Bulletin 2023 Best Paper Award 奖)等，23篇论文单篇引用超过100次，ESI高被引论文11篇。主持优秀青年科学基金项目（海外）和国家重点研发计划重点专项项目课题；指导的博士生获批基金委青年学生基础研究项目（博士），担任Nature和Phys. Rev. Lett.等学术期刊审稿人。

杨声远，香港理工大学物理及材料学系教授。长期从事凝聚态理论与量子材料物理研究，主要围绕拓扑物态、二维材料、输运理论、自旋电子学、谷电子学、非线性响应及第一性原理计算等方向，系统探索量子材料中的新奇拓扑相、新型准粒子、非线性输运效应及其材料实现。迄今已发表同行评议论文200余篇，研究成果被国内外同行广泛引用，谷歌学术总引用24900余次，H指数49，代表性成果发表于Nature、Nat. Mater.、Nat. Nanotechnol.、Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.等国际重要期刊。曾获2021年World Scientific Medal and Prize for Outstanding Physics Research，并担任Front. Phys.凝聚态物理方向编辑及多种学术期刊编委/客座编辑。

姚裕贵，中国科学院院士、北京理工大学杰出教授、3次入选国家高层次领军人才计划，享受政府特贴，先进光电量子结构设计与测量教育部重点实验室主任、物理学院院长。发表论文380余篇，包括54篇PRL/X 、Nature及子刊（35篇），引用42000余次，7篇论文单篇引用超过1000 次，H指数96 (Google Scholar)。在反常输运、二维量子材料、拓扑量子材料与物性、含能材料检测等领域做出了突出性贡献，具有重要国际影响，连续7年入选科睿唯安全球高被引学者。主持基金委创新研究群体、科技部重点研发计划等项目。当选美国物理学会会士、获国家自然科学奖、教育部自然科学奖、北京市自然科学奖、首届北京市先进科研工作者、北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才、北京最美科技工作者、中科院杰出科技成就奖、北京市优秀研究生导师等。作为院长，带领北京理工大学物理学科入选国家一流学科建设名单（工信部高校唯一入选基础学科），获批全国科普教育基地。