一、文章链接
Rational synthesis of a new Haldane chain compound by predicted pressure-induced phase modification. npj Comput. Mater. https://doi.org/10.1038/s41524-026-02098-7
二、成果简介
TOC. 理论预测指导高压合成新型一维Haldane链氧化物HP-BaNi2V2O8.
近日，中山大学化学学院/海南大学化学化工学院极端条件材料物理与化学团队李满荣教授、谭鹏飞博士等研究人员，联合中山大学物理学院姚道新教授、北京大学孙俊良教授，以及中国科学院物理研究所、散裂中子源科学中心、武汉国家强磁场中心等多家合作单位，在拓扑量子材料的设计合成领域取得关键突破：研究团队通过理论预测结合高压高温实验，首次成功合成了一种全新的Haldane链化合物，高压相BaNi2V2O8（HP-BaNi2V2O8）。
常压下BaNi2V2O8为二维蜂窝结构反铁磁体，团队通过大数据搜索和高通量计算，利用密度泛函理论计算结合状态方程拟合，精准预测了其压致结构相变路径，最终在~4 GPa和1223 K条件下成功获得纯相。HP-BaNi2V2O8为四方I41/acd空间群，NiO6八面体共边连接形成沿c轴延伸的准一维螺旋磁链，链间被非磁性VO4四面体和Ba2+离子分隔，具有典型的S = 1一维反铁磁海森堡链特征。磁性测量与自旋哈密顿量计算证实，HP-BaNi2V2O8呈现非磁性Haldane能隙基态，在1.6 K、16.8 T临界场下发生场致量子磁相变。通过系统掺杂研究，团队进一步揭示对称性对链内/链间磁耦合的调控是决定Haldane相在掺杂条件下磁基态的核心因素。该工作展示了计算驱动高压合成在新型量子材料发现中的强大能力，为理解掺杂Haldane体系的量子相变提供了全新结构平台。相关成果发表于国际权威计算材料学期刊npj Computational Materials，中山大学化学学院博士后谭鹏飞为论文共同第一作者（排第一），李满荣教授（中山大学/海南大学）、姚道新教授（中山大学）、孙俊良教授（北京大学）为共同通讯作者。
三、研究背景
图1. 邓肯·霍尔丹（F. D. M. Haldane）
1983年，邓肯·霍尔丹（F. D. M. Haldane）提出核心预言：一维S = 1反铁磁海森堡链为有能隙的Haldane量子基态，而半整数自旋体系则无能隙。这一预言开辟了对称保护拓扑态研究的全新领域，改变了人们对低维量子磁性的认知。Haldane相的拓扑性质依赖于自旋旋转等对称性，化学掺杂取代链上磁性离子是破坏对称性、引入无序与局域自旋的最直接手段，因此也成为研究拓扑态如何演化为平庸/有序态的核心方向。理解掺杂如何驱动Haldane量子相变，不仅是拓扑量子物态基础研究的核心科学问题，还和多个前沿方向直接相关，例如在拓扑量子计算中，Haldane链的边缘态是测量式量子计算的物理基础，掺杂可用于模拟缺陷工程进而研究拓扑保护的鲁棒性。此外，掺杂诱导的自旋玻璃态与量子临界行为，也为探索低维自旋电子学及新型量子材料设计提供了物理基础。然而，不同Haldane体系在掺杂下的行为存在尖锐矛盾：在Y2BaNiO5中，化学掺杂不会诱导长程磁有序；而在ANi2V2O8 (A = Pb, Sr)中，相同掺杂却诱导出反铁磁长程序。这一矛盾说明，仅靠链断裂释放S = 1/2端自旋的价键态（VBS）理论无法完全解释实验现象，迫切需要全新的模型体系来揭示局域结构、对称性、磁耦合网络对掺杂响应的调控机制，而这正是本工作试图解决的核心科学问题。
四、核心突破
图2. 高压相的理论预测：候选结构筛选、能量-体积关系及相变压力估算。
1. 理论预测驱动的精准高压合成：通过大数据搜索，对BaNi2V2O8类通式所存在的9种可能结构的原型平衡体积进行高通量计算，结合能量-体积关系与焓-压相图分析，预测BaNi2V2O8在~2.4 GPa以上，四方I41/acd相较常压三方R-3相更稳定，是潜在的高压稳定相。
图3. 高压合成与晶体结构验证
2. 高压合成与晶体结构的精确解析：基于理论预测，在~4 GPa、1223 K条件下成功合成纯相HP-BaNi2V2O8，验证了理论预测的准确性，这是该体系中首次实现计算引导的高压相变合成。通过同步辐射X射线衍射、中子粉末衍射和三维连续旋转电子衍射等多尺度结构表征，精确确定了HP- BaNi2V2O8的晶体结构：空间群为I41/acd，而非Pb/Sr同类物的I41cd结构。NiO6八面体共边连接形成沿c轴的螺旋状一维链，链间距离显著大于Pb/Sr同类物，一维特征更突出。
图4. Haldane能隙测试与自旋哈密顿量相图
3. Haldane能隙表征与自旋哈密顿量计算：通过磁化率、低温比热、中子散射等测试，证实HP-BaNi2V2O8具有非磁性Haldane能隙基态，高场磁化曲线证实了HP-BaNi2V2O8发生了从Haldane非磁基态到磁场诱导磁有序的量子相变。通过自旋哈密顿量等计算获得HP-BaNi2V2O8的交换耦合参数：链内耦合J1、链间耦合J⊥和单离子各向异性D，并通过和J⊥/J1– D/J1相图对比，发现HP-BaNi2V2O8明确落在Haldane相区域，与实验测试结果一致。
图5. 掺杂调控与对称性效应
4. 掺杂诱导量子相变与对称性调控机理：通过Mg2+/Zn2+掺杂Ni2+和Sr2+掺杂Ba2+的系统研究，揭示对称性对链内与链间磁耦合的调制是决定Haldane相在掺杂条件下磁基态的关键因素。在Pb/Sr同类物中，化学掺杂可诱导长程反铁磁序（如SrNi1.9Mg0.1V2O8在~4.3 K出现反铁磁转变）。然而，HP-BaNi2V2O8在同样掺杂下仅表现出自旋玻璃态，且转变温度随掺杂浓度单调下降，表明掺杂后的磁基态与母体对称性及磁耦合网络密切相关。进一步通过合成SrxBa1-xNi2V2O8固溶体发现，随着Sr含量增加，HP-BaNi2V2O8晶格从高对称I41/acd相（Ba-rich）逐渐转变为低对称I41cd相（Sr-rich），NiO6八面体畸变程度显著增大，导致J1和D单调增大。最关键的是，链间耦合J⊥随A位离子半径的变化趋势受对称性控制：在高对称I41/acd相中，增大离子半径使链间距增大，从而削弱J⊥；而在低对称I41cd相中，增大离子半径反而通过更长的超交换路径增强链间磁耦合J⊥。这一发现表明，仅仅依靠链间距无法预测J⊥的变化，必须考虑对称性降低带来的局域结构畸变对磁交换路径的调制。
- 重要意义与普适性前景
1. 验证了理论计算驱动精准高压合成：传统高压材料探索依赖经验试错，成本高、效率低；本工作通过第一性原理计算结合状态方程精准预测了相变压力（~2.4 GPa），并成功合成目标相。这套理论预测-高压合成-实验验证的策略可推广到二维Kitaev材料等多种低维量子材料体系，能大幅加速新型量子物相的发现进程。
2. 提供了理解Haldane相掺杂效应的新视角：长期以来，化学掺杂诱导Haldane链出现长程有序的微观机制存在争议。本研究证实对称性变化导致的局域结构调整，而非仅仅链断裂，对掺杂后的基态起重要作用。这一发现对于理解准一维磁体的量子临界行为具有普遍意义，也为通过化学压力调控拓扑物态提供了新策略。
3 拓展了Haldane材料家族，并为量子相变研究提供全新模型体系：HP-BaNi2V2O8是该系列中首个具有不同空间群的新Haldane化合物。其独特的对称性、更大的链间距、清晰的晶体结构以及可调控的掺杂浓度，使其成为探索一维Haldane链中无序诱导量子相变、自旋玻璃与拓扑态共存等前沿问题的理想平台。
六、致谢
衷心感谢国家自然科学基金（项目批准号：22401297, 22090041）、国家重点研发计划（项目批准号：2022YFA1403900）、广东省基础与应用基础研究基金（项目批准号：2022B1515120014）、广东省珠江人才计划项目（项目批准号：2017ZT07C069）、广东省磁电物性基础学科研究中心（项目批准号：2024B0303390001）的资助。同步辐射实验在上海同步辐射光源（SSRF）的BL14B1线站和北京同步辐射装置（BSRF）的4B9A线站完成，中子散射实验在中国散裂中子源GPPD线站完成，感谢相关机构与工作人员的支持。
七、通讯作者简介
李满荣教授简介：海南大学化学化工学院副院长，教授，博士生导师，教育部“重大人才工程奖励计划”特聘教授，第十二批“青年千人计划”入选者，广东省“珠江人才计划”引进创新团队入选者。2005年中科院上海硅酸盐研究所获得博士学位，2016年入职中山大学化学学院，2022年调入海南大学。长期从事高压无机固体化学研究，特别是深地深海等超高压下新型无机固体材料的制备和表征。近年来，结合理论计算，发展大数据挖掘和高通量计算-结构和功能导向的理论预测和超高压精准合成-亚稳态截留的极端条件固体化学方法学，聚焦新型磁电量子材料、多铁、高温超导、深海防腐、智能节能环保涂料等。迄今在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.、Natl. Sci. Rev.等期刊发表论文130多篇，授权专利7项，软件著作权1项，主编《高等结构化学》数字教材1部。先后主持国家自然科学基金重大项目课题、重点项目、面上项目、广东省珠江人才计划项目、粤莞联合基金重点项目等2000多万元。担任中国化学会高压化学专委会委员、中国稀土学会第七届稀土专业委员会委员、国家散裂中子源第一届用户委员会委员、广东省化学会无机化学专委会秘书、广东省化学会青年专业委员会委员、Chinese Chemical Letters编委、科技部重点研发计划重点专项评审专家等。承办/协办中国化学会第二、三届全国高压化学学术讨论会、大湾区综合粒子设施论坛、高压前沿研究-极端条件下的物质科学《自然》学术会议等。
姚道新教授简介：中山大学物理学院二级教授，博士生导师，理论物理学科负责人，宝钢优秀教师，南粤优秀教师，教育部新世纪优秀人才，广东特支计划领军人才，广东省物理学会秘书长，广东省磁电物性分析与器件重点实验室副主任、广东省磁电物性基础学科研究中心（物理学）副主任、粤港澳大湾区跨学科科学学会副会长。1994年获浙江大学学士学位，1998年获浙江大学硕士学位，2007年获美国波士顿大学博士学位。2007-2009年先后在美国普渡大学、田纳西大学及橡树岭国家实验室从事博士后研究。2009年12月起任职于中山大学，曾任物理学院副院长。主要研究方向为关联电子体系，涵盖高温超导、量子磁性、拓扑物理、计算物理等领域。主持国家自然科学基金重大研究计划集成项目和重点支持项目、重大项目课题、广东省量子科学战略专项等，在Nature、Physical Review Letters、Science Bulletin等期刊发表论文220余篇，有关成果被Nature、Science等刊物作为热点专题报告与评述，部分成果入选ESI高被引论文。目前担任亚太物理学会旗舰期刊AAPPS Bulletin、中国期刊Innovation Physics等编委。
孙俊良教授简介：北京大学化学与分子工程学院博雅长聘教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，2001年和2006年在北京大学分别获得学士和博士学位（师从林建华教授），之后在美国康奈尔大学和瑞典斯德哥尔摩大学从事博士后研究，2009年获得瑞典皇家科学院资助在斯德哥尔摩大学以助理教授身份独立开展研究，2012年回到北京大学任教，现任北京大学无机固体材料化学课题组负责人，并担任中国晶体学会副理事长、党委副书记，国际晶体学会会刊IUCrJ电子晶体学板块联合编辑、电子晶体学委员会委员，国际分子筛协会结构委员会委员，以及中国化学会分子筛专业委员会、晶体化学专业委员会委员等学术职务；其主要研究方向包括结构解析方法学（发展单晶/粉末X射线衍射与三维电子衍射技术，创立连续旋进电子衍射断层扫描cPEDT方法，解决亚微米及纳米尺度晶体和复杂材料如共价有机框架、金属有机框架的结构难题）、无机微孔材料（分子筛、COF、MOF等，参与9个国际沸石协会承认的新沸石结构解析）以及致密固相化合物（多铁、非公度材料、合金等）；以第一作者或通讯作者在Nature、Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.等期刊发表论文100余篇，曾获第一届中国分子筛奖青年奖（2017）、中国石化前瞻性基础性研究科学奖一等奖（2018）、中国稀土学会稀土晶体专业委员会杰出青年科研工作者奖（2019）等荣誉。
八、第一作者介绍
谭鹏飞：中山大学化学学院博士后，合作导师是李满荣教授和王静教授，主要研究方向为低维量子磁电材料的设计与合成，主持国家自然科学基金青年科学基金项目，以第一作者在npj Comput. Mater.、Mater. Horiz.等期刊发表多篇学术论文。
吴沐炜：中山大学物理学院博士，导师是姚道新教授，主要研究方向为阻挫量子自旋模型基态和磁激发的数值计算研究，以第一作者在Phys. Rev. B、Mater. Horiz.等期刊发表多篇学术论文。
朱船辉：香港中文大学（深圳）博士后，合作导师是唐叔贤院士，主要研究方向为新型无机固态氧化物的设计、合成及构效关系研究，以第一作者或共同通讯作者在CCS Chem.、Chem. Catal.、Chem. Eng. J.等期刊上发表多篇学术论文。
