磁学新时代：科大最新研究为自旋电子学和谷电子学应用带来新方向

近年来国际科研界广泛关注交错磁体（Altermagnets），研究其如何不依赖净磁矩或自旋轨道耦合作用（SOC）而实现自旋劈裂。香港科技大学（科大）物理系刘军伟教授团队与其他研究团队，最近在《Nature Physics》*上发表最新研究成果，揭示了首次在实验中测量到具有二维层状特性的室温交错磁体，并验证了刘教授于2021年发表于《Nature Communications》的理论预测。

长久以来，如何实现以及进一步控制自旋极化态，从而存储和调控信息，是自旋电子学的一个重要问题。传统方式是通过自旋与轨道、自旋与局域磁矩的相互作用，实现自旋极化，前者对应着自旋轨道耦合效应产生的自旋劈裂，如Rashba-Dresselhaus效应，而后者对应着铁磁中的Zeeman劈裂。刘教授亦与多个国际研究团队相继在理论上提出了一种新的自旋劈裂理论——在旋转、镜面等晶体对称性联系不同磁子格的反铁磁中，会产生来自于反铁磁交换相互作用导致的自旋劈裂，并且具有特殊的晶格对称性配对的自旋-能谷锁定（CSVL）。这类自旋劈裂不依赖于净磁矩或者自旋轨道耦合作用，从而兼备铁磁和反铁磁体的优点以及较长的自旋弛豫时间等特点，而具备此类特殊劈裂的反铁磁体后续也被统称为交错磁体（altermagnet）。交错磁体的发现更入选了《Science》2024年度十大科学突破。

尽管科学家对交错磁体展开了大量的研究，但有限的交错磁体（如α-MnTe、CrSb、MnTe2和RuO2）因对称性限制，皆无法实现交错磁性独有的自旋流。其中，α-MnTe和CrSb因为子晶格的C₃旋转导致的各向同性，相反的自旋具有完全相同的自旋电导，故总自旋流为零。MnTe2则因其非共面的磁结构，自旋不再是守恒量。即使RuO2测量到了非零的反常霍尔效应与自旋劈裂，但其磁性基态仍然存在大量争论。更重要的是，此前从未有过层状的交错磁体，这极大限制了将其从体态中剥离，或进一步与其他材料耦合，从而实现如超导紧邻作用、电压调控的电子结构、形变对能带的调控，以及可能的扭转体系如moiré超晶格等诸多二维材料特有的性质。因此，寻找具备层状结构的交错磁体，对于发展下一代高密度、高速度、高性能的自旋材料极为重要。刘教授这次研究证实的层状交错磁体，为这一领域开辟了崭新的维度。

基于刘教授团队在2021年有关V₂Te₂O和V₂Se₂O的理论预测，此次实验在Rb掺杂的V₂Te₂O体系中，结合自旋分辨角分辨光电子能谱（Spin-ARPES）、扫描隧道显微镜/谱学（STM/STS）和第一性原理计算（DFT）等方法，验证了其晶格对称性配对的自旋-能谷锁定效应(CSVL)。研究主要发现包括直接观察到了晶格对称性配对的自旋-能谷锁定(CSVL)，即自旋极化方向在晶体对称性C连接相邻X谷和Y谷之间呈现完全相反自旋的特征；这种自旋-能谷锁定可以稳定保持到室温，与材料的反铁磁相变温度完全一致；通过ARPES测量kₓ方向几乎没有色散，表现出极好的二维特征；谷间散射有被显著抑制的现象，作为自旋选择定律的结果。

此次研究成功验证了具有室温稳定性的层状交替磁体，该材料的层状特性及室温稳定特质都为开发新型自旋电子材料奠定了良好基础。这一突破性发现不仅为自旋电子学和谷电子学的研究及发展提供了新方向，更为相关材料应用开辟了新的可能性。重要的是，这些实验结果与第一性原理计算结果高度吻合，验证了刘教授2021年理论预测的可信度，也为后续进一步验证其独有的自旋流与非常规压磁效应奠定了基础。同时，类似的自旋-能谷锁定现象也在另一类预测的材料K插层的V₂Se₂O体系中得到了验证，也进一步增加了其2021年理论预测的可信度。

*科大刘军伟教授、南方科技大学陈朝宇教授、中国科学院上海微系统与信息技术研究所乔山教授、浙江大学曹光旱教授和南方科技大学赵悦教授为论文的通讯作者。论文的理论和计算部分由科大博士生程星凯完成，Spin-ARPES等部分由南方科技大学博士后张发远完成，QPI测量由南方科技大学博士生殷周一完成，其他重要合作者包括浙江大学刘长超，科大博士生施正等。