自旋系统中的阻挫会导致奇异物态的形成[1]。在具有烧绿石结构的自旋冰Dy2Ti2O7中，Ising自旋的排列服从局部“冰规则”，使得空间孤立磁单极子的数量最小化，类似于水形成的冰中的电偶极子[2]。在2D平面内，可以类似地定义排列在kagome晶格上的Ising自旋的冰规则，要求每个三角形具有单个磁单极子，并且可以导致各种独特的磁有序和激发[3, 4]。

结合低温磁性和热力学测量、单晶中子散射和蒙特卡罗(MC)模拟，我们发现了阻挫磁性金属HoAgGe作为第一个实现kagome自旋冰态的自然化合物，随着温度下降，体系经过一个部分磁有序相(partial order)，最终在4K以下进入kagome自旋冰的基态[5]。最近，通过单晶中子漫散射，更精确地绘制了HoAgGe在不同温度下的自旋序行为[7]，发现它的磁相变路径与理论模型预测的kagome spin ice的磁有序过程不同[3, 4]。在顺磁状态下，系统首先进入伴随有磁荷涨落的部分磁有序态，区别于理论预测的磁荷有序相[3, 4]，最终进入完全有序磁基态。利用准2D自旋模型对HoAgGe中的kagome自旋冰态进行分析，通过蒙特卡罗模拟，阐明其中单一的3D XY相变到基态，同时发生时间反转对称性(TRS)破缺。更有趣的是, 实验和理论均发现HoAgGe的TRS破缺相存在具有一种不寻常的磁性响应：尽管磁化强度为零，两个时间反演简并态可以用非线性磁化率来区分和选择，其与kagome冰规则密切有关。我们的发现不仅揭示了一类kagome自旋冰中新的对称性破缺过程，也展示了自旋阻挫体系在未来信息技术中的应用潜力[7]。

当T=2 K时, 沿kagome平面的b轴(定义为六方晶格的[120]晶向)施加磁场(H//b)，磁化曲线上出现了1/3，2/3和极化态等系列磁平台，并且1/3，2/3平台上的磁矩大小随着升场和降场完全一致，但是反常霍尔效应(AHE)和纵向磁阻曲线出现了明显的回滞[6]。通过中子衍射实验，确定了1/3和2/3磁平台上的简并态磁结构[5]，并进一步确定了连接这些准简并态的对称操作，其与HoAgGe中kagome晶格的非平凡畸变密切有关。结合模型计算，揭示了一类特殊非共线磁结构，在具有相同能带结构的情况下，表现出由不同的Berry phase导致的奇特物理行为，包括不同的AHE、线性磁电阻和轨道磁化等。我们的工作证明了反常霍尔效应及其相关输运现象在揭示金属阻挫自旋系统中隐藏对称性方面的独特作用[6]。

参考文献： 

[1] Castelnovo, C., Moessner, R. & Sondhi, S. L. Nature 451, 42–45 (2008)

[2] D. J. P. Morris et al., Science 326, 411–414 (2009 ) & T. Fennell et al., Science 326, 415–417 (2009).

[3] Möller, G., and Moessner, R. Phys. Rev. B 80, 140409 (2009)  

[4] Chern, G.-W. et al. Phys. Rev. Lett. 106, 207202 (2011) 

[5] Zhao, K. et al. Science 367, 1218–1223 (2020)

[6] Zhao, K. et al. Nat. Phys. 20, 442-449 (2024)

[7] Zhao, K. et al. arXiv: 2505. 22544 (2025)

Biography

赵侃，北航物理学院教授、博士生导师，工信部海外青年人才。2013年中国科学院物理研究所靳常青研究员课题组取得博士学位，2013至2021年在德国哥廷根大学和奥格斯堡大学进行博士后研究，2014至2016年德国洪堡学者。紧密围绕强关联量子磁性主题开展研究工作，在新材料探索、单晶生长、低温物性测量，以及中子散射方面积累了比较丰富的研究经验。以第一/通讯作者发表研究论文13篇，包括 Science 1 篇、Nature Physics 1篇、Nature Comm.1篇、Phys. Rev. B 6篇等。在2021年APS March Meeting作邀请报告。目前主持国家自然基金面上项目，科技部重点研发计划项目课题，北京市杰出青年科学基金。相关研究工作获得2022年北京市自然科学一等奖，排名4/8。

Inviter: 张田田 副研究员