轨道磁性是材料磁性的重要组成部分。在一些特殊材料中，轨道磁化的贡献甚至超过电子自旋的贡献，而后者一般被认为在材料的磁性中占主导地位。更重要的是，轨道磁化的物理提供了磁序与材料晶格结构之间的联系，对于理解一些与自旋-轨道耦合相关的物理效应十分关键，例如：决定自旋与晶轴相对取向的磁各向异性能，以及磁性材料的各向异性磁阻，等等。理论上，尽管基于自旋密度泛函理论的第一性原理方法已可以相当精确地计算材料的自旋磁化强度，对于轨道磁化强度的计算却缺乏严格的理论基础。实际上，之前的计算往往依赖于一些半经验的方法，理论上也缺乏系统的途径提高计算的精度。
最近，中国科学院物理研究所的施均仁研究员与美国密苏里大学的G. Vignale教授以及德州大学奥斯丁分校牛谦教授小组合作，在先前工作的基础上，提出了计算晶体材料轨道磁化强度的普适量子理论。一方面，这一工作从量子理论出发，严格证明了几年前由施均仁研究员和牛谦小组率先提出的轨道磁矩公式，表明了该公式对金属、绝缘体以及具有非零陈示性数的反常霍尔绝缘绝体等系统都普遍有效；另一方面，该工作将轨道磁矩公式进一步推广到具有电子-电子相互作用的一般系统，指出利用推广的密度泛函理论，即流与自旋密度泛函理论(CSDFT)，可以精确地计算实际材料的轨道磁化强度。
该工作确立了轨道磁化第一性原理计算的严格理论基础，并为系统提高其计算精度指明了方法与途径。结果发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。施均仁研究员已受邀在2008年的APS March Meeting上报告这一理论研究进展。以上工作得到了中国科学院“百人计划”和基金委项目的资助。
[1] J. Shi, G. Vignale, D. Xiao and Q. Niu, Phys. Rev. Lett. 99, 197202 (2007)。
[2] D. Xiao, J. Shi and Q. Niu, Phys. Rev. Lett., 95, 137204 (2005)。