交錯磁體（Altermagnets）的特征在于其能帶結(jié)構(gòu)中存在非相對論性的交替自旋分裂，以及在實空間中具有共線的補償磁矩。它們結(jié)合了鐵磁性和反鐵磁性序的優(yōu)點，展現(xiàn)出破壞時間反演對稱性的磁響應(yīng)、近乎消失的雜散場以及高頻自旋動力學(xué)特性。因此，交錯磁體在多個研究領(lǐng)域具有巨大潛力，尤其是在開發(fā)自旋電子器件方面，例如高密度磁存儲器和太赫茲納米振蕩器。此外，交替磁性存在于包括金屬、半導(dǎo)體、絕緣體和超導(dǎo)體在內(nèi)的廣泛材料中，從而激發(fā)了功能材料研究的廣泛興趣。

在此，清華大學(xué)宋成教授，捷克ASCR物理研究所Helena Reichlova，瑞士保羅謝勒研究所J. Hugo Dil?和香港科技大學(xué)劉軍偉副教授等人概述了交錯磁體的最新實驗進展，特別關(guān)注通過光譜技術(shù)觀察到的自旋簡并性的解除以及由此產(chǎn)生的自旋輸運現(xiàn)象。同時，還討論了交替磁體的未來研究方向，涵蓋自旋電子學(xué)、磁子學(xué)、超快光子學(xué)和聲子學(xué)等領(lǐng)域，以及超導(dǎo)性、拓?fù)湫院投噼F性等特性。

相關(guān)文章以“Altermagnets as a new class of functional materials”為題發(fā)表在Nature Reviews Materials上！這也是宋成老師三天之間內(nèi)繼Nature之后刊發(fā)又一頂刊！

交錯磁性是一種新型磁性，超越了傳統(tǒng)鐵磁性和反鐵磁性，近年來在基礎(chǔ)物理和器件應(yīng)用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。其獨特之處在于，盡管具有補償?shù)墓簿€磁性配置，但能帶結(jié)構(gòu)中存在非相對論性自旋分裂，能夠產(chǎn)生類似鐵磁體的時間反演對稱性破缺的磁響應(yīng)，同時具備反鐵磁體的低雜散場和太赫茲動態(tài)頻率特性。這些特性源于其獨特的晶體和自旋對稱性。

與傳統(tǒng)反鐵磁體不同，交替磁體的自旋分裂源于交換耦合而非自旋軌道耦合（SOC），因此能帶分裂能量較高（約電子伏特）。其電子結(jié)構(gòu)中的自旋構(gòu)型可能與Pomeranchuk不穩(wěn)定性有關(guān)。交替磁體的磁性狀態(tài)可以用Néel矢量描述，反映相反子晶格中磁矩的差異。交錯磁體的材料種類豐富，涵蓋金屬、半導(dǎo)體、絕緣體和超導(dǎo)體。例如，α-MnTe半導(dǎo)體實現(xiàn)了高溫磁性和半導(dǎo)體特性的共存，為場效應(yīng)可調(diào)自旋電子器件提供了新機遇。此外，交替磁性絕緣體（如正鐵酸鹽）的手性分裂磁子帶可推動自旋波研究，而其與自旋三重態(tài)超導(dǎo)性的兼容性則為探索零雜散場的非常規(guī)超導(dǎo)體提供了平臺。有機化合物和范德華爾斯體系也被預(yù)測具有交替磁性，二維材料的扭曲工程有望創(chuàng)造新型交替磁體。

根據(jù)動量空間中交替自旋極化的對稱性，交替磁體可表現(xiàn)出d波、g波或i波磁化密度，分別具有不同數(shù)量的自旋簡并節(jié)點表面。d波交替磁體的低對稱性使其具有各向異性自旋-動量耦合和自旋依賴電導(dǎo)率，可產(chǎn)生巨大磁阻效應(yīng)，而更高對稱性的g波交替磁體則禁止這種效應(yīng)。此外，奇數(shù)對稱性波磁體（如p波磁體）表現(xiàn)出獨特的非相對論性反對稱自旋分裂，在自旋電流產(chǎn)生方面具有巨大潛力。總體而言，交替磁體是一類廣泛的磁性材料，不依賴稀有或有毒元素，展現(xiàn)出奇異的磁響應(yīng)，在自旋電子學(xué)、磁子學(xué)、超快光子學(xué)等領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。

本文主要總結(jié)了交錯磁性領(lǐng)域的最新實驗進展，概述了交錯磁性自旋電子學(xué)中具體的實驗任務(wù)，并探索了其在多個研究領(lǐng)域（包括磁子學(xué)、超快光子學(xué)、聲子學(xué)以及超導(dǎo)性、拓?fù)湫院投噼F性等特性）中的潛在應(yīng)用。

圖1：在鐵磁體、傳統(tǒng)的共線反鐵磁體和交流磁體中的自旋構(gòu)型。

交錯磁性自旋分裂的光譜表征

非相對論性的自旋簡并交替分裂是交替磁體的核心特征。大量研究致力于通過光譜技術(shù)直接探測倒空間中具有交替磁對稱性的自旋分裂。作者總結(jié)了通過光譜技術(shù)觀察到的交替磁性自旋分裂的研究進展。

一、軟X射線角分辨光電子能譜（SX-ARPES）；角分辨光電子能譜（ARPES）是研究材料電子能帶結(jié)構(gòu)的強大工具，特別適合探測交替磁體中的自旋分裂。表面反演對稱性的破壞會誘導(dǎo)相對論性的自旋分裂，但這種自旋分裂與交替磁性引起的自旋分裂具有不同的對稱性，因此可以區(qū)分。

二、自旋分辨角分辨光電子能譜（SARPES）；SARPES能夠在低光子能量下直接區(qū)分自旋向上和自旋向下的能帶。這種技術(shù)對于探測自旋紋理至關(guān)重要，并可以通過對稱性區(qū)分交替磁性自旋分裂與鐵磁性或相對論性自旋分裂。

三、X射線磁圓二色性（XMCD）；X射線吸收光譜是元素特異性光譜和成像的關(guān)鍵技術(shù)，包含兩種主要的磁性檢測模式。一種是X射線磁線性二色性（XMLD），它對Néel矢量軸敏感，但無法區(qū)分其相反符號；另一種是X射線磁圓二色性（XMCD），它依賴于時間反演對稱性破缺，可以確定交錯磁體中Néel矢量的符號。

圖2：利用光譜技術(shù)直接觀察交流磁體中的提升自旋簡并度。

交錯磁體的自旋分裂帶結(jié)構(gòu)能夠誘導(dǎo)時間反演對稱性破缺的多種自旋現(xiàn)象，這些現(xiàn)象在自旋電子學(xué)中具有重要意義。例如，反常霍爾效應(yīng)（AHE）和反常奈斯特效應(yīng)等異常磁輸運現(xiàn)象在交替磁體中表現(xiàn)出對Néel矢量取向的依賴性，可用于數(shù)據(jù)讀出。通過電流誘導(dǎo)的自旋軌道力矩和應(yīng)變調(diào)控，可以實現(xiàn)Néel矢量的翻轉(zhuǎn)和磁性狀態(tài)的改變，為數(shù)據(jù)寫入提供了可能。此外，交替磁體還能實現(xiàn)非相對論性的電荷-自旋轉(zhuǎn)換，例如通過自旋扭矩鐵磁共振和高次諧波霍爾測量驗證的自旋電流生成，以及通過電場自旋注入、熱自旋輸運和光學(xué)太赫茲發(fā)射實現(xiàn)的自旋到電荷的轉(zhuǎn)換。這些特性不僅展示了交替磁體在自旋電流生成和自旋到電荷轉(zhuǎn)換方面的潛力，還為開發(fā)高效自旋電子器件提供了新思路。

?由交錯磁性自旋分裂帶誘導(dǎo)的自旋現(xiàn)象

自旋與電荷之間的相互作用是自旋電子學(xué)的核心研究內(nèi)容之一，這種相互作用可以通過多種外部刺激進行調(diào)控，包括磁場、電場、光或熱激發(fā)以及應(yīng)變。此外，交錯磁性可以通過多種方法進行調(diào)控，例如電流和應(yīng)變，為數(shù)據(jù)寫入提供了潛在途徑。

二、交錯磁體的調(diào)控；異常磁輸運現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)Néel矢量的檢測，這對于數(shù)據(jù)讀出至關(guān)重要。此外，應(yīng)變也可以有效調(diào)控交替磁性。襯底誘導(dǎo)的晶體畸變降低了薄膜的磁對稱性，從而觀察到自發(fā)的AHE。

三、電荷-自旋轉(zhuǎn)換；交替磁體的自旋分裂帶結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)非相對論性和守恒的自旋電流生成。例如，通過自旋扭矩鐵磁共振和高次諧波霍爾測量，已經(jīng)在實驗中驗證了這種行為。此外，交替磁體還可以實現(xiàn)非相對論性的自旋到電荷轉(zhuǎn)換。這些研究不僅揭示了交錯磁體在自旋電流生成和自旋到電荷轉(zhuǎn)換方面的潛力，還為開發(fā)高效的自旋電子器件提供了新的思路。

圖3：在AMs中的自旋傳輸行為。

自旋電子學(xué)

構(gòu)建多功能器件是自旋電子學(xué)的最終目標(biāo)，其中高性能磁隨機存取存儲器（MRAM）是主要追求對象。目前，鐵磁性MRAM受限于存儲密度低和操作速度慢，而反鐵磁性MRAM有望克服這些問題。然而，反鐵磁體中的自旋簡并性使得生成自旋極化電流以及實現(xiàn)巨大磁阻或隧道磁阻（TMR）變得困難，從而復(fù)雜化了數(shù)據(jù)讀出。初步結(jié)果表明，RuO₂可能是電極候選材料，但其交替磁性本質(zhì)仍需進一步明確，需要大量研究來探索具有更大TMR比的材料。隨后，將電學(xué)調(diào)控集成到交替磁性隧道結(jié)中，并實現(xiàn)室溫下的電學(xué)讀寫能力，將是具有里程碑意義的成就。

值得注意的是，基于交錯磁體的MRAM面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。主要問題是交替磁性依賴于特定的晶體和自旋對稱性，而這些對稱性通常會在商業(yè)自旋電子器件中常用的多晶樣品中被破壞。解決這一問題至關(guān)重要，尤其是關(guān)于織構(gòu)化和實現(xiàn)穩(wěn)健響應(yīng)所需的結(jié)晶度。類似地，多疇的存在會削弱交替磁性誘導(dǎo)的宏觀響應(yīng)，這強調(diào)了制造具有大疇的交替磁體樣品的必要性。

圖4：交流磁性帶來的新視野。

綜上所述，將鐵電性和反鐵磁性相結(jié)合的多鐵性材料是功能材料研究中的一個活躍領(lǐng)域。然而，實現(xiàn)單一材料中鐵電性和鐵磁性的耦合，尤其是電極化和自旋極化的耦合，仍面臨挑戰(zhàn)。交錯磁體為鐵電性和自旋極化的共存提供了可能，從而實現(xiàn)對自旋輸運的高效電場調(diào)控。同時，制備多鐵性交錯磁體的關(guān)鍵在于將極性空間群與交替磁性空間群相結(jié)合。這些材料表現(xiàn)出活躍的離子遷移特性，能夠?qū)崿F(xiàn)電場調(diào)控的鐵電性和交替磁性。更奇特的實現(xiàn)方式可能是在二維極限下實現(xiàn)多鐵性和交替磁性的共存，這可以通過新興的摩爾工程技術(shù)實現(xiàn)，該技術(shù)能夠產(chǎn)生新穎的鐵電態(tài)。此外，通過范德華反鐵磁絕緣體的扭曲堆疊也是制備多鐵性交替磁體的自然途徑。盡管交錯磁性是一個新興的研究領(lǐng)域，但它在基礎(chǔ)物理和實際應(yīng)用方面都展現(xiàn)出巨大的潛力。在未來，理論和實驗研究將加深對這些有前景材料的理解，并推動功能器件的發(fā)展。

宋成，博士，清華大學(xué)長聘教授，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者。研究方向為信息功能材料，主要包括自旋電子學(xué)材料、聲表面波濾波器和磁聲耦合器件。在Nature Materials和Nature Electronics等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，論文被引用13000余次。曾獲兩項國家科技獎勵、五項省部級科技獎勵和首屆“卓越青年研究生導(dǎo)師獎勵基金”。兼任中國材料研究學(xué)會常務(wù)理事/青委會主任、中國真空學(xué)會理事/薄膜專委會副主任。

Cheng Song, Hua Bai, Zhiyuan Zhou, Lei Han, Helena Reichlova, J. Hugo Di, Junwei Liu?, Xianzhe Chen, Feng Pan,?Altermagnets as a new class of functional materials,?Nature Reviews Materials, https://doi.org/10.1038/s41578-025-00779-1