近日，重慶大學王銳教授和許東輝教授團隊在交錯磁性研究領(lǐng)域取得重要進展。該團隊提出了一種利用拓撲絕緣體異質(zhì)結(jié)探測交錯磁體中特有的倒易空間(k空間)自旋極化新方案。相關(guān)研究成果以“Probing k-Space Alternating Spin Polarization via the Anomalous Hall Effect”為題，發(fā)表于國際頂級物理學期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters) [ Phys. Rev. Lett. 135, 096602 (2025)]。
該成果由重慶大學、湖北大學和深圳技術(shù)大學研究者共同完成。湖北大學特任研究員陳銳為論文第一作者，重慶大學物理學院博士生王梓名為第二作者。重慶大學王銳教授和許東輝教授為通訊作者。論文作者還包括湖北大學周斌教授和深圳技術(shù)大學孫海鵬博士。
圖1：交錯磁體、鐵磁體和反鐵磁實空間和倒易空間對比示意圖。
圖片來自：L. ?mejkal, et al, Phys. Rev. X 12, 040501 (2022).
交錯磁性(Altermagnetism)是最近發(fā)現(xiàn)的一種基本磁序，它在對稱性分類上不同于傳統(tǒng)的鐵磁與反鐵磁序，被視為“第三種磁序”。交錯磁體的一大特性是：它和反鐵磁體一樣，凈磁矩為零，不產(chǎn)生外部雜散場；但同時，其電子能帶在k空間展現(xiàn)出一種正負交替的自旋極化現(xiàn)象(圖1)。這一獨特性質(zhì)使其能夠表現(xiàn)出傳統(tǒng)磁性材料難以實現(xiàn)的巨大自旋劈裂和自旋電子學效應(yīng)，因而在研發(fā)高速、高密度、低功耗的自旋電子學器件方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，如何從實驗上直接并可靠地探測其獨特的k空間自旋織構(gòu)，是當前該領(lǐng)域面臨的核心挑戰(zhàn)。
圖2：交錯磁體/拓撲絕緣體異質(zhì)結(jié)示意圖
針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性地提出構(gòu)建由交錯磁體和拓撲絕緣體組成的異質(zhì)結(jié)(圖2)。理論計算發(fā)現(xiàn)，交錯磁性對時間反演對稱性的破壞，會使得拓撲絕緣體狄拉克表面態(tài)獲得能隙，進而在外場調(diào)控下產(chǎn)生一種交替變化的半量子化反常霍爾效應(yīng)。這種獨特的霍爾效應(yīng)信號的符號變化，直接反映了交錯磁體k空間中自旋極化的交替特性(圖3)。因此，這種半量子化的反常霍爾效應(yīng)可作為高精度的“探針”，用于表征交錯磁體的k空間自旋極化。
圖3：d波交錯磁體誘導(dǎo)產(chǎn)生交替變化半量子化霍爾電導(dǎo)
該探測方案具有良好的普適性，即使對于本身反常霍爾效應(yīng)缺失的交錯磁體材料也同樣適用。研究團隊還進一步對該方案在具有不同對稱性（如d波、g波和i波）的交錯磁體中的應(yīng)用進行了理論預(yù)測，并證實該探測信號在合理的無序條件下仍然非常穩(wěn)固，證明了其在真實材料體系中的可行性。這項工作為實驗上深入探索交錯磁體的物理性質(zhì)提供了重要理論指導(dǎo)。
該工作得到了國家自然科學基金、重慶自然科學基金和中央高校基本科研等項目的資助。
來源：物理學院
作者：許東輝
