磁學新時代：科大最新研究為自旋電子學和谷電子學應用帶來新方向

近年來國際科研界廣泛關注交錯磁體（Altermagnets），研究其如何不依賴淨磁矩或自旋軌道耦合作用（SOC）而實現自旋劈裂。香港科技大學（科大）物理系劉軍偉教授團隊與其他研究團隊，最近在《Nature Physics》*上發表最新研究成果，揭示了首次在實驗中測量到具有二維層狀特性的室溫交錯磁體，並驗證了劉教授於2021年發表於《Nature Communications》的理論預測。

長久以來，如何實現以及進一步控制自旋極化態，從而存儲和調控資訊，是自旋電子學的一個重要問題。傳統方式是通過自旋與軌道、自旋與局域磁矩的相互作用，實現自旋極化，前者對應著自旋軌道耦合效應產生的自旋劈裂，如Rashba-Dresselhaus效應，而後者對應著鐵磁中的Zeeman劈裂。劉教授亦與多個國際研究團隊相繼在理論上提出了一種新的自旋劈裂理論——在旋轉、鏡面等晶體對稱性聯繫不同磁子格的反鐵磁中，會產生來自於反鐵磁交換相互作用導致的自旋劈裂，並且具有特殊的晶格對稱性配對的自旋-能谷鎖定（CSVL）。這類自旋劈裂不依賴於淨磁矩或者自旋軌道耦合作用，從而兼備鐵磁和反鐵磁體的優點以及較長的自旋弛豫時間等特點，而具備此類特殊劈裂的反鐵磁體後續也被統稱為交錯磁體（altermagnet）。交錯磁體的發現更入選了《Science》2024年度十大科學突破。

儘管科學家對交錯磁體展開了大量的研究，但有限的交錯磁體（如α-MnTe、CrSb、MnTe2和RuO2）因對稱性限制，皆無法實現交錯磁性獨有的自旋流。其中，α-MnTe和CrSb因為子晶格的C₃旋轉導致的各向同性，相反的自旋具有完全相同的自旋電導，故總自旋流為零。MnTe2則因其非共面的磁結構，自旋不再是守恆量。即使RuO2測量到了非零的反常霍爾效應與自旋劈裂，但其磁性基態仍然存在大量爭論。更重要的是，此前從未有過層狀的交錯磁體，這極大限制了將其從體態中剝離，或進一步與其他材料耦合，從而實現如超導緊鄰作用、電壓調控的電子結構、形變對能帶的調控，以及可能的扭轉體系如moiré超晶格等諸多二維材料特有的性質。因此，尋找具備層狀結構的交錯磁體，對於發展下一代高密度、高速度、高性能的自旋材料極為重要。劉教授這次研究證實的層狀交錯磁體，為這一領域開闢了嶄新的維度。

基於劉教授團隊在2021年有關V₂Te₂O和V₂Se₂O的理論預測，此次實驗在Rb摻雜的V₂Te₂O體系中，結合自旋分辨角分辨光電子能譜（Spin-ARPES）、掃描隧道顯微鏡/譜學（STM/STS）和第一性原理計算（DFT）等方法，驗證了其晶格對稱性配對的自旋-能谷鎖定效應(CSVL)。研究主要發現包括直接觀察到了晶格對稱性配對的自旋-能谷鎖定(CSVL)，即自旋極化方向在晶體對稱性C連接相鄰X谷和Y谷之間呈現完全相反自旋的特徵；這種自旋-能谷鎖定可以穩定保持到室溫，與材料的反鐵磁相變溫度完全一致；通過ARPES測量kₓ方向幾乎沒有色散，表現出極好的二維特徵；谷間散射有被顯著抑制的現象，作為自旋選擇定律的結果。

此次研究成功驗證了具有室溫穩定性的層狀交替磁體，該材料的層狀特性及室溫穩定特質都為開發新型自旋電子材料奠定了良好基礎。這一突破性發現不僅為自旋電子學和谷電子學的研究及發展提供了新方向，更為相關材料應用開闢了新的可能性。重要的是，這些實驗結果與第一性原理計算結果高度吻合，驗證了劉教授2021年理論預測的可信度，也為後續進一步驗證其獨有的自旋流與非常規壓磁效應奠定了基礎。同時，類似的自旋-能谷鎖定現象也在另一類預測的材料K插層的V₂Se₂O體系中得到了驗證，亦進一步增加了其2021年理論預測的可信度。

*科大劉軍偉教授、南方科技大學陳朝宇教授、中國科學院上海微系統與資訊技術研究所喬山教授、浙江大學曹光旱教授和南方科技大學趙悅教授為論文的通訊作者。論文的理論和計算部分由科大博士生程星凱完成，Spin-ARPES等部分由南方科技大學博士後張發遠完成，QPI測量由南方科技大學博士生殷週一完成，其他重要合作者包括浙江大學劉長超，科大博士生施正等。