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域取得重要進展。該團隊提出了一種利用拓撲絕緣體異質結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，不產生外部雜散場；但同時，其電子能帶在k空間展現出一種正負交替的自旋極化現象(圖1)。這一獨特性質使其能夠表現出傳統(tǒng)磁性材料難以實現的巨大自旋劈裂和自旋電子學效應，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出巨大的應用潛力。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，是當前該領域面臨的核心挑戰(zhàn)。

圖2：交錯磁體/拓撲絕緣體異質結示意圖

針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性地提出構建由交錯磁體和拓撲絕緣體組成的異質結(圖2)。理論計算發(fā)現，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，進而在外場調控下產生一種交替變化的半量子化反常霍爾效應。這種獨特的霍爾效應信號的符號變化，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波交錯磁體誘導產生交替變化半量子化霍爾電導

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）的交錯磁體中的應用進行了理論預測，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提供了重要理論指導。

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