交錯磁體（Altermagnets）的特征在于其能帶結構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。它們結合了鐵磁性和反鐵磁性序的優點，展現出破壞時間反演對稱性的磁響應、近乎消失的雜散場以及高頻自旋動力學特性。因此，交錯磁體在多個研究領域具有巨大潛力，尤其是在開發自旋電子器件方面，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、半導體、絕緣體和超導體在內的廣泛材料中，從而激發了功能材料研究的廣泛興趣。

在此，清華大學宋成教授，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，特別關注通過光譜技術觀察到的自旋簡并性的解除以及由此產生的自旋輸運現象。同時，還討論了交替磁體的未來研究方向，涵蓋自旋電子學、磁子學、超快光子學和聲子學等領域，以及超導性、拓撲性和多鐵性等特性。

相關文章以“Altermagnets as a new class of functional materials”為題發表在Nature Reviews Materials上！這也是宋成老師三天之間內繼Nature之后刊發又一頂刊！

交錯磁性是一種新型磁性，超越了傳統鐵磁性和反鐵磁性，近年來在基礎物理和器件應用領域受到廣泛關注。其獨特之處在于，盡管具有補償的共線磁性配置，但能帶結構中存在非相對論性自旋分裂，能夠產生類似鐵磁體的時間反演對稱性破缺的磁響應，同時具備反鐵磁體的低雜散場和太赫茲動態頻率特性。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）。其電子結構中的自旋構型可能與Pomeranchuk不穩定性有關。交替磁體的磁性狀態可以用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、半導體、絕緣體和超導體。例如，α-MnTe半導體實現了高溫磁性和半導體特性的共存，為場效應可調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，而其與自旋三重態超導性的兼容性則為探索零雜散場的非常規超導體提供了平臺。有機化合物和范德華爾斯體系也被預測具有交替磁性，二維材料的扭曲工程有望創造新型交替磁體。

根據動量空間中交替自旋極化的對稱性，交替磁體可表現出d波、g波或i波磁化密度，分別具有不同數量的自旋簡并節點表面。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率，可產生巨大磁阻效應，而更高對稱性的g波交替磁體則禁止這種效應。此外，奇數對稱性波磁體（如p波磁體）表現出獨特的非相對論性反對稱自旋分裂，在自旋電流產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，展現出奇異的磁響應，在自旋電子學、磁子學、超快光子學等領域具有巨大應用潛力。

本文主要總結了交錯磁性領域的最新實驗進展，概述了交錯磁性自旋電子學中具體的實驗任務，并探索了其在多個研究領域（包括磁子學、超快光子學、聲子學以及超導性、拓撲性和多鐵性等特性）中的潛在應用。

圖1：在鐵磁體、傳統的共線反鐵磁體和交流磁體中的自旋構型。

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。作者總結了通過光譜技術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構的強大工具，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分自旋向上和自旋向下的能帶。這種技術對于探測自旋紋理至關重要，并可以通過對稱性區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鍵技術，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構能夠誘導時間反演對稱性破缺的多種自旋現象，這些現象在自旋電子學中具有重要意義。例如，反常霍爾效應（AHE）和反常奈斯特效應等異常磁輸運現象在交替磁體中表現出對Néel矢量取向的依賴性，可用于數據讀出。通過電流誘導的自旋軌道力矩和應變調控，可以實現Néel矢量的翻轉和磁性狀態的改變，為數據寫入提供了可能。此外，交替磁體還能實現非相對論性的電荷-自旋轉換，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、熱自旋輸運和光學太赫茲發射實現的自旋到電荷的轉換。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換方面的潛力，還為開發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的自旋現象

自旋與電荷之間的相互作用是自旋電子學的核心研究內容之一，這種相互作用可以通過多種外部刺激進行調控，包括磁場、電場、光或熱激發以及應變。此外，交錯磁性可以通過多種方法進行調控，例如電流和應變，為數據寫入提供了潛在途徑。

二、交錯磁體的調控；異常磁輸運現象能夠實現Néel矢量的檢測，這對于數據讀出至關重要。此外，應變也可以有效調控交替磁性。襯底誘導的晶體畸變降低了薄膜的磁對稱性，從而觀察到自發的AHE。

三、電荷-自旋轉換；交替磁體的自旋分裂帶結構能夠實現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，已經在實驗中驗證了這種行為。此外，交替磁體還可以實現非相對論性的自旋到電荷轉換。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換方面的潛力，還為開發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

構建多功能器件是自旋電子學的最終目標，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巨大磁阻或隧道磁阻（TMR）變得困難，從而復雜化了數據讀出。初步結果表明，RuO₂可能是電極候選材料，但其交替磁性本質仍需進一步明確，需要大量研究來探索具有更大TMR比的材料。隨后，將電學調控集成到交替磁性隧道結中，并實現室溫下的電學讀寫能力，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面臨一些技術挑戰。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。解決這一問題至關重要，尤其是關于織構化和實現穩健響應所需的結晶度。類似地，多疇的存在會削弱交替磁性誘導的宏觀響應，這強調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合的多鐵性材料是功能材料研究中的一個活躍領域。然而，實現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。交錯磁體為鐵電性和自旋極化的共存提供了可能，從而實現對自旋輸運的高效電場調控。同時，制備多鐵性交錯磁體的關鍵在于將極性空間群與交替磁性空間群相結合。這些材料表現出活躍的離子遷移特性，能夠實現電場調控的鐵電性和交替磁性。更奇特的實現方式可能是在二維極限下實現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實現，該技術能夠產生新穎的鐵電態。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域，但它在基礎物理和實際應用方面都展現出巨大的潛力。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展。

宋成，博士，清華大學長聘教授，國家杰出青年科學基金獲得者。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等期刊發表學術論文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“卓越青年研究生導師獎勵基金”。兼任中國材料研究學會常務理事/青委會主任、中國真空學會理事/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