科学家证明非常规反铁磁体的存在，未来或可用于自旋电子学等领域

非常规反铁磁体，是一类兼具铁磁体和反铁磁体优点的新型磁体。它既拥有铁磁体可读写的性质，也具备反铁磁体的超快动力学特性，而且信息密度也大于铁磁体。

试想一下，如果未来的磁存储器件能够基于这种新型磁体来开发，就能避免如今铁磁体和反铁磁体在应用时存在的不同缺陷，从而推动相关领域的技术革新。

据了解，目前该领域的科学家们已经对这些新型磁体进行了大量理论研究。

非常规反铁磁体即使不存在自旋轨道耦合，也会出现由长程磁序引起的新型自旋劈裂。

如果能够证实上述理论预测，领域内的研究人员就可选择轻元素材料来实现定向自旋流、反常霍尔效应、磁振子手性劈裂等物理现象，从而大大拓宽反铁磁自旋电子学的研究范围。

此前，人们在其中一种磁体上找到了输运实验的证据，支持非常规反铁磁体的存在。

但是，一直以来，都缺乏由这些非常规反铁磁体引起的自旋分裂的直接谱学证明。

近期，来自南方科技大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所等的研究人员，采用自旋分辨和角度分辨的光电子能谱测量和理论分析，证明了在非共面反铁磁体二碲化锰（MnTe2）上，存在由非常规反铁磁性引起的自旋劈裂效应。

他们基于先进的 SARPES（Spin- and Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy，一种用于研究材料表面的电子结构和自旋性质的技术）设备观察到，MnTe2 中自旋劈裂能带上的自旋面内分量，不管是在水平还是垂直的高对称平面上，都呈现反对称的形式。自旋纹理在三维布里渊区中形成的格子图案，与该课题组的计算结果一致。

进一步地，他们也发现这种源于内在反铁磁序的非常规自旋模式，在高温顺磁状态下会大大减弱。

图丨自旋劈裂效应的不同原型和 MnTe2 的密度泛函理论计算结果（来源：Nature）

近日，相关论文以《非共面反铁磁体中格子状自旋劈裂的观测》（Observation ofplaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet）为题在 Nature 上发表 [1]。

图丨相关论文（来源：Nature）

南方科技大学博士研究生朱煜鹏和博士后陈晓冰是第一作者，南方科技大学刘畅副教授、刘奇航教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所乔山研究员担任共同通讯作者。

图丨刘畅（来源：刘畅）

该论文的其中一位审稿人评价称：“反铁磁诱导的自旋劈裂的谱学实现，对于理解此类材料的特殊输运性质以及设计下一代自旋电子学应用的新颖系统具有极其重要的意义。而提供预测有效性的直接证据，则对该领域的进一步发展至关重要。”

据刘畅介绍，早在 2020 年，刘奇航便向他提及了有关该研究的理论进展。

“那时，包括非常规反铁磁体和交错磁体在内的这类名词还没有出现。刘老师看到他在美国的博士生导师亚历克斯·赞格（Alex Zunger）教授课题组发表了一篇理论方面的论文以后，认为这方面的研究以后将变得非常有用，就建议我开展这一方向的实验探索。”刘畅说。

在刘奇航的启发和自身兴趣的驱动下，他开始了这项研究，但却在寻找适合测量的晶体的过程遇到了诸多困难。

“我们用两年的时间生长了十多种理论预测的非常规反铁磁体的候选材料，但绝大部分材料在 SARPES 测量中却得到了零信号。这是因为在反铁磁体中，如果两个磁畴之间的反铁磁磁矩取向相反，而磁畴又比较小的话，我们得到的数据就会是零。”刘畅说。

经过两年多的研究，该课题组终于在 2022 年 8 月底，第一次得到有意义的信号。在乔山老师的实验室中，当他们看到如同老旧电视机里雪花般的信号中出现极其微弱的亮度差异时，都非常兴奋。

目前，该团队已经借助 SARPES 技术证明了非常规反铁磁体的存在，下一步他们计划利用其他技术手段继续发掘该材料的新内涵。

例如，通过研究该材料和其他材料形式不同的自旋波，尝试探索是否有新奇的效应存在。同时，也打算将该材料做成真正的器件，以研究电子在其中的输运情况。

参考资料：

1. Zhu, YP., Chen, X., Liu, XR. et al. Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet. Nature626, 523–528 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07023-w

排版：希幔