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备受关注的凝聚态物理前沿：什么是交错磁体？

返罗会仟约 8 分钟

“交错磁体”正受到物理学界的广泛关注。与传统磁体截然不同，交错磁体在原子排布和电子行为上展现出独特的“交错”特性——这是一种结合铁磁体与反铁磁体优势的新型磁性材料。近日，中国科学家成功发现新一类交错磁体，为自旋电子学研究带来了新机遇。

撰文 | 罗会仟（中国科学院物理研究所）
近些年来，一类叫作“交错磁体”（altermagnet）的新型磁性材料备受人们的关注。然而实验上能够验证的交错磁体并不多，仅有半导体材料MnTe和MnTe2，其他材料仍然存在很大的争议。最近，中国科学家发现了新一类交错磁体，其中KV2Se2O是具有金属性的d波交错磁体，与同为d波的铜氧化物高温超导体La2-xSrxCuO4有着异曲同工之妙；它的表兄弟，RbV2Te2O则具有室温下自旋-能谷锁定效应。科学家认为该类材料具有成为二维自旋电子学器件的巨大潜力。
什么是“交错磁体”？它与我们通常理解的磁性材料有什么不同？有哪些材料被发现是交错磁体？它会带来哪些重要的应用呢？
理解交错磁性，还要从物质的对称性开始说起。对称性和对称性破缺是现代物理学中最核心的主题，所谓对称性就是对物质进行某些操作之后它保持不变，而对称性的破缺就是某些对称性消失了。比如，材料中的原子排布方式就满足一定的对称性，把它们平移一个周期可以完全重合，就是“平移对称性”；围绕某个对称轴旋转90°或120°可以重合，就是“四重或六重旋转对称性”；对某一个二维镜面反射后重合，就是“空间反演对称性”。类似的还有时间反演对称性，情况稍微复杂一些，相当于把物体的波函数时间t改成-t后系统不变，听起来有点抽象。但是我们结合原子的磁矩（或者说自旋）来理解就很清楚了，假设磁性原子都带上一个有方向的箭头，也就是它自身的磁矩，那这个箭头可以等效认为自身的转动有“左手螺旋”或“右手螺旋”，因此可以定义时间的正负——比如箭头朝上为正，朝下为负，所谓时间反演对称，就是原子箭头反向之后系统仍然保持不变。
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各类不同的对称操作和材料中的对称性
虽然看起来对称性可能有很多很多，我们这个世界的材料几乎有无数种，但是非常神奇的是，对于微观世界的原子排布来说，空间对称性的仅仅只有230种，我们称之为“空间群”。如果加上各类不同磁矩的排布，也就是时间反演对称操作与空间群的结合，那就是1651个“磁空间群”。如果磁矩排布与空间不耦合在一起，那就会有183498种“自旋空间群”。
在那么多复杂的磁性材料对称性里，有2种是最为常见、也是最为简单的，那就是铁磁和反铁磁。对于铁磁材料而言，因为此时所有磁性原子的箭头都朝同一个方向，显然时间反演对称性是破缺的，但平移对称性保留；而对于反铁磁材料而言，磁性原子箭头是一正一反排列的，翻转之后变成一反一正，再进行平移之后就可以恢复到原先状态，所以具有时间反演+平移对称性，当然也可以是空间反演+平移对称性。以上前提是原子磁矩处于平行线上，叫作“共线型”铁磁或反铁磁，还有更复杂的“非共线型”反铁磁，我们姑且不探讨这么复杂的问题。
在共线型反铁磁的时间或空间反演+平移对称性基础上，还要继续引入旋转、镜像、滑移等其他对称性，这就是所谓的“交错磁性”。嗯，这听起来还是很抽象。我们以一个二维的原子格子为例，就容易理解“交错”的含义：假设一个2X2的原子晶格顶点都是磁性原子，中心是非磁性原子，相邻磁性原子的磁矩是反平行排列的，那么它们就必须通过平移+时间反演才能还原，这还是反铁磁。但是，如果同时考虑中心的非磁性原子，且相邻的非磁原子不同，那么就需要旋转90°之后再平移、再时间反演才能恢复原状。所以，“交错磁”的一层含义就是在考虑磁性原子排序方式的同时，还要兼顾它们的“背景”——也就是非磁性原子的排布，如果它们是交错排布的，也会影响材料的整体对称性。从磁性强度来看，交错磁体与反铁磁一样，原子磁矩是互相抵消的，可以认为在晶格周期上没有净磁矩，这与铁磁性有着很大的不同。
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各种磁性的对称性
“交错磁性”不仅仅体现在实空间，也就是原子+磁矩的排布空间与铁磁和反铁磁存在对称性的差异，在动量空间，也就是电子的能量-动量分布，也同样存在“交错”。简单来说，铁磁材料里面会有很强的内部磁场，自旋朝上和朝下的电子将具有不同的能量状态，那么电子能带，也就是特定的某个能量-动量分布，会发生一定程度的劈裂，且这种劈裂是单向的，即和电子动量的方向无关，相当于不同自旋状态的电子实现了“能量分层”。对于反铁磁体，因为材料内部感受不到磁场，所以自旋朝上和朝下的电子具有相同的能量状态，它们因为量子组态不同，是允许占据相同的电子能带的，这叫作“能量简并”。对于交错磁体，由于其他对称性的“加持”，电子能带不仅会发生劈裂，而且不同自旋朝向的电子在能量-动量空间里会发生“交错”分布，比如自旋朝下的电子一半是出于低能组态，另一半则属于高能组态，自旋朝上的电子与之相反。
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反铁磁和交变磁（交错磁）的对称性差异
所以，交错磁体兼顾在实空间反铁磁的“零净磁矩”，和动量空间铁磁的“能带劈裂”，这也是为何人们也声称“交错磁性”属于铁磁和反铁磁之外的物质“第三磁性”。只是，我们前面提及了，物质的磁性对称性其实有数十万种之多，它们并没有一个明确的排序。
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实际材料中的反铁磁与交错磁结构对比
实际上，交错磁性只能算是“非常规磁性”中特殊的一员。早在2007年，吴从军等人就类比非常规超导体提出了“非常规磁性”的概念，即不仅要考虑自旋的排列，还要同时考虑轨道的有序。“交错磁性”仅仅是非常规磁性中在旋转对称破缺下的一种特殊情形。如我们前面提到的，在自旋和轨道两个自由度解耦之后，你会发现自旋空间群存在18万种以上，凝聚态物理的磁性世界可谓丰富多彩。
我们回到实验问题上，如何判断一个材料是“交错磁体”呢？首先从原子磁矩排列方式上，可以综合磁化率、核磁共振、x射线散射和中子散射等各种手段，确定其属于类似反铁磁的排列，也就是磁矩朝上和朝下的原子数量基本相等；其次，从电子的能量-动量分布上，可以观测到“交错”的能带劈裂，相当于把本来某个“拧成一股绳”的能带，在进入交错磁性态后，变成了“拧成麻花状”的两个交错能带，这利用特殊角分辨光电子能谱技术可以直接观测到；再者，交错磁体由于特殊对称性的存在，会诱发一些新的有序态，比如自旋密度波序，就是自旋在空间分布有周期调制；最后，交错磁体在磁场下具有一系列反常的输运行为，包括反常霍尔效应、反常能斯特效应、磁光克尔效应、非常规的压磁效应以及隧穿磁电阻效应等等，这些效应在常规的共线反铁磁体一般不存在。
正是由于交错磁体中自旋与电荷之间的强烈相互影响，使得可通过磁、电、光、热、应力等一系列途径来调控材料中自旋和电荷状态，尤其是通过自旋组态改变其磁性，构造非相对论性的守恒自旋流，可以实现新一代的自旋电子学器件，具备高效存储、读取且低能耗等诸多优势。例如磁随机存储器（M-RAM）采用铁磁材料，存储密度低和操作速度慢；采用反铁磁材料可以提升效率，但因为信号弱而导致读取过程非常复杂和操纵困难，而采用交错磁性材料则可以兼顾二者优势。
交错磁体虽然作为新型磁性信息材料具有很大的优势，却很难被实验真正确证。例如候选材料RuO2中的磁性至今尚不清楚，Mn5Si3的块体和薄膜呈现出截然不同的性质，Co1/3NbS2则被认为属于非共线的反铁磁。交错磁体的候选材料还有LiMnPO4、Mn3Sn、MnF2、FeSb2、Fe2O3、La2CuO4、LaMnO3，等等。目前实验上比较确定的仅有半导体材料MnTe和MnTe2属于交错磁体。这意味着材料导电的载流子很少，想通过电场等调控材料的磁性相对较为困难，要想找到一个好用的交错磁体，必须是金属材料，有足够多的载流子可以调控。金属交错磁体的候选材料主要是RuO2和CrSb，但它们是否具有磁性仍然存在很大争议。
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KV2Se2O的交错磁性结构
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KV2Se2O的费米面（理论与实验吻合）
最近，科研人员终于找到了新一类金属交错磁体，包括两个成员KV2Se2O和RbV2Te2O，它们的交错磁性在室温下就已形成，在低温下还会构造出新的自旋密度波序。KV2Se2O的自旋-角分辨光电子能谱测量清晰看到了自旋取向相反的电子占据了不同的能带，且在动量空间存在交错，形成了特殊的十字梅花状d-波能带。RbV2Te2O中也同样观测到了室温下的自旋-能谷锁定效应。这个交错磁体中d-波的电子态分布，与铜氧化物高温超导体有着非常相似之处，而且后者的母体La2CuO4，就被认为是交错磁体的候选者之一。从晶体结构上，KV2Se2O和La2CuO4也存在相似之处，它们的“母体”V2Se2O或V2Te2O属于层状结构的范德瓦尔斯材料，适用于各种二维材料的加工技术。
新一类室温金属交错磁体的发现使得人们进一步期待：在超导体中是否也能找到交错磁性呢？届时，高效率的磁信息存储和零能耗的电输运可以合二为一，全新的电子学器件将彻底改变我们的生活。
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