原創 羅會仟 返樸

“交錯磁體”正受到物理學界的廣泛關注。與傳統磁體截然不同，交錯磁體在原子排布和電子行為上展現出獨特的“交錯”特性——這是一種結合鐵磁體與反鐵磁體優勢的新型磁性材料。近日，中國科學家成功發現新一類交錯磁體，為自旋電子學研究帶來了新機遇。

撰文 | 羅會仟（中國科學院物理研究所）

近些年來，一類叫作“交錯磁體”（altermagnet）的新型磁性材料備受人們的關注。然而實驗上能夠驗證的交錯磁體并不多，僅有半導體材料MnTe和MnTe2，其他材料仍然存在很大的爭議。最近，中國科學家發現了新一類交錯磁體，其中KV2Se2O是具有金屬性的d波交錯磁體，與同為d波的銅氧化物高溫超導體La2-xSrxCuO4有著異曲同工之妙；它的表兄弟，RbV2Te2O則具有室溫下自旋-能谷鎖定效應。科學家認為該類材料具有成為二維自旋電子學器件的巨大潛力。

什么是“交錯磁體”？它與我們通常理解的磁性材料有什么不同？有哪些材料被發現是交錯磁體？它會帶來哪些重要的應用呢？

理解交錯磁性，還要從物質的對稱性開始說起。對稱性和對稱性破缺是現代物理學中最核心的主題，所謂對稱性就是對物質進行某些操作之后它保持不變，而對稱性的破缺就是某些對稱性消失了。比如，材料中的原子排布方式就滿足一定的對稱性，把它們平移一個周期可以完全重合，就是“平移對稱性”；圍繞某個對稱軸旋轉90°或120°可以重合，就是“四重或六重旋轉對稱性”；對某一個二維鏡面反射后重合，就是“空間反演對稱性”。類似的還有時間反演對稱性，情況稍微復雜一些，相當于把物體的波函數時間t改成-t后系統不變，聽起來有點抽象。但是我們結合原子的磁矩（或者說自旋）來理解就很清楚了，假設磁性原子都帶上一個有方向的箭頭，也就是它自身的磁矩，那這個箭頭可以等效認為自身的轉動有“左手螺旋”或“右手螺旋”，因此可以定義時間的正負——比如箭頭朝上為正，朝下為負，所謂時間反演對稱，就是原子箭頭反向之后系統仍然保持不變。

各類不同的對稱操作和材料中的對稱性

雖然看起來對稱性可能有很多很多，我們這個世界的材料幾乎有無數種，但是非常神奇的是，對于微觀世界的原子排布來說，空間對稱性的僅僅只有230種，我們稱之為“空間群”。如果加上各類不同磁矩的排布，也就是時間反演對稱操作與空間群的結合，那就是1651個“磁空間群”。如果磁矩排布與空間不耦合在一起，那就會有183498種“自旋空間群”。

在那么多復雜的磁性材料對稱性里，有2種是最為常見、也是最為簡單的，那就是鐵磁和反鐵磁。對于鐵磁材料而言，因為此時所有磁性原子的箭頭都朝同一個方向，顯然時間反演對稱性是破缺的，但平移對稱性保留；而對于反鐵磁材料而言，磁性原子箭頭是一正一反排列的，翻轉之后變成一反一正，再進行平移之后就可以恢復到原先狀態，所以具有時間反演+平移對稱性，當然也可以是空間反演+平移對稱性。以上前提是原子磁矩處于平行線上，叫作“共線型”鐵磁或反鐵磁，還有更復雜的“非共線型”反鐵磁，我們姑且不探討這么復雜的問題。

在共線型反鐵磁的時間或空間反演+平移對稱性基礎上，還要繼續引入旋轉、鏡像、滑移等其他對稱性，這就是所謂的“交錯磁性”。嗯，這聽起來還是很抽象。我們以一個二維的原子格子為例，就容易理解“交錯”的含義：假設一個2X2的原子晶格頂點都是磁性原子，中心是非磁性原子，相鄰磁性原子的磁矩是反平行排列的，那么它們就必須通過平移+時間反演才能還原，這還是反鐵磁。但是，如果同時考慮中心的非磁性原子，且相鄰的非磁原子不同，那么就需要旋轉90°之后再平移、再時間反演才能恢復原狀。所以，“交錯磁”的一層含義就是在考慮磁性原子排序方式的同時，還要兼顧它們的“背景”——也就是非磁性原子的排布，如果它們是交錯排布的，也會影響材料的整體對稱性。從磁性強度來看，交錯磁體與反鐵磁一樣，原子磁矩是互相抵消的，可以認為在晶格周期上沒有凈磁矩，這與鐵磁性有著很大的不同。

各種磁性的對稱性

“交錯磁性”不僅僅體現在實空間，也就是原子+磁矩的排布空間與鐵磁和反鐵磁存在對稱性的差異，在動量空間，也就是電子的能量-動量分布，也同樣存在“交錯”。簡單來說，鐵磁材料里面會有很強的內部磁場，自旋朝上和朝下的電子將具有不同的能量狀態，那么電子能帶，也就是特定的某個能量-動量分布，會發生一定程度的劈裂，且這種劈裂是單向的，即和電子動量的方向無關，相當于不同自旋狀態的電子實現了“能量分層”。對于反鐵磁體，因為材料內部感受不到磁場，所以自旋朝上和朝下的電子具有相同的能量狀態，它們因為量子組態不同，是允許占據相同的電子能帶的，這叫作“能量簡并”。對于交錯磁體，由于其他對稱性的“加持”，電子能帶不僅會發生劈裂，而且不同自旋朝向的電子在能量-動量空間里會發生“交錯”分布，比如自旋朝下的電子一半是出于低能組態，另一半則屬于高能組態，自旋朝上的電子與之相反。

反鐵磁和交變磁（交錯磁）的對稱性差異

所以，交錯磁體兼顧在實空間反鐵磁的“零凈磁矩”，和動量空間鐵磁的“能帶劈裂”，這也是為何人們也聲稱“交錯磁性”屬于鐵磁和反鐵磁之外的物質“第三磁性”。只是，我們前面提及了，物質的磁性對稱性其實有數十萬種之多，它們并沒有一個明確的排序。

實際材料中的反鐵磁與交錯磁結構對比

實際上，交錯磁性只能算是“非常規磁性”中特殊的一員。早在2007年，吳從軍等人就類比非常規超導體提出了“非常規磁性”的概念，即不僅要考慮自旋的排列，還要同時考慮軌道的有序。“交錯磁性”僅僅是非常規磁性中在旋轉對稱破缺下的一種特殊情形。如我們前面提到的，在自旋和軌道兩個自由度解耦之后，你會發現自旋空間群存在18萬種以上，凝聚態物理的磁性世界可謂豐富多彩。

我們回到實驗問題上，如何判斷一個材料是“交錯磁體”呢？首先從原子磁矩排列方式上，可以綜合磁化率、核磁共振、x射線散射和中子散射等各種手段，確定其屬于類似反鐵磁的排列，也就是磁矩朝上和朝下的原子數量基本相等；其次，從電子的能量-動量分布上，可以觀測到“交錯”的能帶劈裂，相當于把本來某個“擰成一股繩”的能帶，在進入交錯磁性態后，變成了“擰成麻花狀”的兩個交錯能帶，這利用特殊角分辨光電子能譜技術可以直接觀測到；再者，交錯磁體由于特殊對稱性的存在，會誘發一些新的有序態，比如自旋密度波序，就是自旋在空間分布有周期調制；最后，交錯磁體在磁場下具有一系列反常的輸運行為，包括反常霍爾效應、反常能斯特效應、磁光克爾效應、非常規的壓磁效應以及隧穿磁電阻效應等等，這些效應在常規的共線反鐵磁體一般不存在。

正是由于交錯磁體中自旋與電荷之間的強烈相互影響，使得可通過磁、電、光、熱、應力等一系列途徑來調控材料中自旋和電荷狀態，尤其是通過自旋組態改變其磁性，構造非相對論性的守恒自旋流，可以實現新一代的自旋電子學器件，具備高效存儲、讀取且低能耗等諸多優勢。例如磁隨機存儲器（M-RAM）采用鐵磁材料，存儲密度低和操作速度慢；采用反鐵磁材料可以提升效率，但因為信號弱而導致讀取過程非常復雜和操縱困難，而采用交錯磁性材料則可以兼顧二者優勢。

交錯磁體雖然作為新型磁性信息材料具有很大的優勢，卻很難被實驗真正確證。例如候選材料RuO2中的磁性至今尚不清楚，Mn5Si3的塊體和薄膜呈現出截然不同的性質，Co1/3NbS2則被認為屬于非共線的反鐵磁。交錯磁體的候選材料還有LiMnPO4 、Mn3Sn、MnF2、FeSb2、Fe2O3、La2CuO4、LaMnO3，等等。目前實驗上比較確定的僅有半導體材料MnTe和MnTe2屬于交錯磁體。這意味著材料導電的載流子很少，想通過電場等調控材料的磁性相對較為困難，要想找到一個好用的交錯磁體，必須是金屬材料，有足夠多的載流子可以調控。金屬交錯磁體的候選材料主要是RuO2和CrSb，但它們是否具有磁性仍然存在很大爭議。

KV2Se2O的交錯磁性結構

KV2Se2O的費米面（理論與實驗吻合）

最近，科研人員終于找到了新一類金屬交錯磁體，包括兩個成員KV2Se2O和RbV2Te2O，它們的交錯磁性在室溫下就已形成，在低溫下還會構造出新的自旋密度波序。KV2Se2O的自旋-角分辨光電子能譜測量清晰看到了自旋取向相反的電子占據了不同的能帶，且在動量空間存在交錯，形成了特殊的十字梅花狀d-波能帶。RbV2Te2O中也同樣觀測到了室溫下的自旋-能谷鎖定效應。這個交錯磁體中d-波的電子態分布，與銅氧化物高溫超導體有著非常相似之處，而且后者的母體La2CuO4，就被認為是交錯磁體的候選者之一。從晶體結構上，KV2Se2O和La2CuO4也存在相似之處，它們的“母體”V2Se2O或V2Te2O屬于層狀結構的范德瓦爾斯材料，適用于各種二維材料的加工技術。

新一類室溫金屬交錯磁體的發現使得人們進一步期待：在超導體中是否也能找到交錯磁性呢？屆時，高效率的磁信息存儲和零能耗的電輸運可以合二為一，全新的電子學器件將徹底改變我們的生活。

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原標題：《備受關注的凝聚態物理前沿：什么是交錯磁體？》

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