【研究背景】
隨著凝聚態物理學的發展，科學家們對自旋電子學的潛在應用產生了濃厚的興趣。自旋電子學是一種利用電子的自旋而不是電荷來傳輸和存儲信息的新興領域。在這個領域中，自旋簡并能帶的分裂問題一直是一個重要的研究課題。自旋簡并能帶是指具有相同能量但自旋方向相反的電子態。自旋分裂現象可以通過不同的機制來實現，其中包括澤曼效應、反鐵磁序和自旋軌道相互作用等。然而，在傳統的磁性材料中，自旋分裂主要是通過澤曼效應和自旋軌道相互作用來實現的，而反鐵磁材料通常被認為自旋簡并的。因此，當科學家們開始探索在某些反鐵磁材料中發現的新型自旋分裂時，引起了廣泛的關注。這些新型自旋分裂現象預示著在不同的磁性材料中可能存在著新的自旋控制機制，從而為自旋電子學領域帶來了新的發展機遇。在研究這些新型自旋分裂現象時，科學家們面臨著一些挑戰。首先，傳統的理論框架往往無法很好地解釋這些現象，因為它們通常假設磁性材料中的自旋分裂是由于澤曼效應或自旋軌道相互作用引起的。其次，直接的實驗證據也相對稀缺，因為傳統的實驗技術往往無法直接觀察到這種微弱的自旋分裂信號。 【成果介紹】
為了解決這些問題，南方科技大學劉暢教授團隊、劉奇航教授團隊聯合上海微系統與信息技術研究所喬山教授等在Nature頂刊發題為“Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet”的研究論文。他們聯合利用了先進的理論模擬和高靈敏度的實驗技術。他們通過密度泛函理論（DFT）等計算方法預測了新型自旋分裂的可能機制，并利用自旋解析和角分辨光電發射光譜（SARPES）等先進實驗技術直接觀測到了這些現象。通過這些努力，他們得以確定了一些反鐵磁材料中存在的新型自旋控制機制，并展示了這些材料在自旋電子學領域中的潛在應用價值。總的來說，隨著對新型自旋分裂現象的深入研究，科學家們對自旋電子學的理解將會不斷深化，同時也將推動自旋電子學技術的發展，為下一代電子器件的設計和應用提供新的思路和可能性。。
【圖文解讀】
為了研究MnTe 2 中的自旋分裂效應，研究人員進行了一系列的實驗和理論計算。他們首先通過DFT計算確定了MnTe 2 的晶體結構和磁性特性，并發現非共面的反鐵磁序不會破壞空間對稱性，這表明自旋分裂主要受到磁性序的影響，而不是自旋軌道相互作用。在實驗方面，作者利用ARPES技術觀察了MnTe 2 中的電子能帶結構，發現在特定高對稱平面上存在明顯的自旋分裂現象。通過SARPES實驗，他們測量了不同平面上的自旋極化分量，發現了一種獨特的格子狀自旋紋理，其在高對稱平面的每一側呈現出反對稱的自旋極化分布。這些實驗結果與理論計算吻合，進一步證明了反鐵磁序引起的自旋分裂效應在MnTe 2 中的存在，并為深入理解這一現象提供了重要結果（見圖1）。
圖1. 自旋分裂效應的不同原型和MnTe 2 的DFT計算結果。
為了研究MnTe 2 中的自旋分裂效應，研究者利用SARPES系統對其自旋極化帶進行了系統性測量。圖2中展示了通過自旋綜合的ARPES測量，確定了在kz = -0.2π/c時的自旋態密度的形狀（圖b）。然后，通過DFT計算，得到了相應的Sx和Sy分辨的CEC圖（圖c、d）。這些圖顯示了在O–A和O–C方向附近高度自旋極化的電子態。接著，通過SARPES測量得到了自旋極化帶的展示，包括自旋綜合和自旋分辨的能譜圖、EDCs和自旋極化曲線。數據表明，Sx和Sy的自旋極化在O–A和O–C線附近是反對稱的，與理論計算結果一致。進一步的分析顯示，在MnTe 2 的反鐵磁基態中存在著與動量相關的反對稱自旋分裂，呈現出格子狀交替自旋紋理。這些結果揭示了MnTe 2 中非常規的自旋分裂機制，為了解決自旋電子結構問題提供了重要結果。。
圖2. 在kz=-0.2π/C時，平面內自旋的格子狀織構。
為了區分反鐵磁相中觀察到的自旋紋理與表面態中的自旋軌道耦合（SOC）引起的紋理，作者進行了一系列關于MnTe 2 的SARPES實驗。圖3展示了在不同入射光子能量（對應不同的kz值）下獲取的SARPES數據，以觀察自旋在不同外平面動量（kz值）處的符號變化。實驗結果顯示，Sx自旋在跨越高對稱面kz = 0和ky = 0時發生了符號反轉，這與DFT計算結果一致。具體來說，在L點，隨著入射光子能量從21.2 eV到28 eV和從66 eV到82 eV，Sx自旋的符號發生反轉；在R點，也觀察到了類似的現象。另外，在ky = 0的平面高對稱面上，Sx自旋在L和R點之間同樣發生了符號反轉。作者進一步在hν = 28 eV下采用了不同的入射光束偏振方式進行了測量，結果表明無論是線性水平極化還是線性垂直極化，S x 自旋的符號都保持一致。這些結果強化了觀察到的反鐵磁相中的自旋極化紋理的真實性，證明了其不同于表面SOC引起的效應（見圖3）。
圖3. 不同kz值處Sx極化的符號反轉。
為了驗證MnTe 2 中自旋分裂的磁性起源，研究者進行了關鍵的溫度演變實驗，以及對自旋極化的溫度依賴性的深入分析。首先，通過系統的SARPES測量，他們在MnTe 2 的反鐵磁相（T=30 K）中觀察到了一種新型的動量依賴自旋分裂。這種自旋分裂表現為反鐵磁序引起的獨特的plaid-like自旋紋理，展現了在非共面反鐵磁體中獨特的自旋動力學。接下來，為了進一步證實觀察到的自旋分裂現象與表面態引起的自旋紋理有所不同，研究者在四個不同的入射光子能量下進行了SARPES實驗，對應于四個不同的kz值。結果顯示在相鄰的外平面動量（kz值）處，自旋的符號發生了反轉，這在由表面反演破壞引起的自旋分裂中是不被期望的。這一發現鞏固了觀察到的plaid-like自旋紋理是由反鐵磁序引起的。為了進一步證明觀察到的自旋分裂是由反鐵磁序引起的，研究者進行了溫度演變實驗。通過測量自旋極化在不同溫度下的變化，他們發現自旋分裂的特征在超過Néel溫度（TN = 87 K）的高溫順磁相中幾乎消失。這表明自旋分裂是與反鐵磁序緊密相關的，而非表面引起的效應。最后，研究者對觀察到的plaid-like自旋紋理進行了深入討論。與經典自旋紋理不同，這種自旋紋理的獨特之處在于其在kz = 0處的符號反轉，這與由SOC引起的自旋分裂有所不同。作者通過詳細的對稱性分析和實驗結果，強調了這種二次自旋紋理的存在，并揭示了其與反鐵磁序的深刻聯系。
圖4. 帶結構和Sx極化的溫度依賴性。
【結論和展望】
本研究揭示了在非共面反鐵磁體MnTe 2 中由磁性引起的新型自旋分裂效應。這一發現不僅為我們深入理解非共面反鐵磁材料中的自旋相關現象提供了重要結果，還為量子材料中的自旋分裂現象提供了新的理論和實驗基礎。通過系統研究溫度依賴性，科學家們驗證了自旋分裂的磁性起源。這項研究對于理解自旋相關的量子現象，如磁性自旋霍爾效應和自旋分裂器效應，以及在自旋電子學中的潛在應用，具有重要的科學啟示作用。 【文獻信息】
Zhu, YP., Chen, X., Liu, XR. et al. Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet. Nature 626, 523–528 (2024).
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