清華新聞網(wǎng)2月13日電 清華大學材料學院/先進材料教育部重點實驗室宋成、潘峰團隊近日在交錯磁體領(lǐng)域取得重要進展，首次實現(xiàn)了從晶格維度對交錯磁體的高效調(diào)控。
傳統(tǒng)觀點認為，鐵磁與反鐵磁的特征是互相排斥、涇渭分明的。2019至2022年期間，國內(nèi)外多個研究組從理論上提出了一種新的磁性物相——交錯磁體（altermagnet），打破了近百年來的這一認知。交錯磁體融合了鐵磁體具有自旋劈裂能帶和反鐵磁體本征頻率高的雙重優(yōu)勢，如果能通過有效調(diào)控在信息存儲領(lǐng)域中加以利用，將有望大幅提升信息存儲的速度、密度和能效（圖1）。2022年5月，宋成及合作者與美國康奈爾大學丹尼·爾拉夫（Daniel Ralph）研究組同期獨立報道了交錯自旋劈裂力矩效應，被國際同行認為是驗證交錯磁體概念的“原創(chuàng)性實驗”，2024年，國內(nèi)外多個研究組通過角分辨光電子能譜技術(shù)直接觀測到交錯自旋劈裂能帶。交錯磁體的系列發(fā)現(xiàn)與“筷子”成功夾住火箭等一起入選了《科學》2024年度十大科學突破。
圖1.鐵磁、反鐵磁和交錯磁體的自旋構(gòu)型對比
以往交錯磁體領(lǐng)域的研究主要聚焦于從輸運性質(zhì)和譜學特征角度對交錯磁體進行表征，而對交錯磁體的調(diào)控則局限于奈爾矢量的層面，尤其是利用奈爾矢量的取向調(diào)控反常霍爾效應等磁電輸運現(xiàn)象。研究團隊通過分析發(fā)現(xiàn)，交錯磁體的形成源于相反取向的磁性子晶格附近截然不同的晶體環(huán)境，因而交錯磁體的序參量不僅依賴于奈爾矢量的取向，還強烈敏感于晶體對稱性。相較于對奈爾矢量調(diào)控的廣泛研究，研究者們對晶體對稱性層面的調(diào)控卻鮮有關(guān)注。基于這一研究現(xiàn)狀，研究團隊認為，如果能跳出傳統(tǒng)的研究視角，利用晶體對稱性實現(xiàn)對交錯磁體的調(diào)控，將為進一步揭示交錯磁體的本質(zhì)和產(chǎn)生新奇磁電輸運現(xiàn)象等提供新的維度。
常見的交錯磁體（如RuO2、Mn5Si3、MnTe等）材料，要么具有極高的對稱性，而且對稱性不易被操控，要么對稱性較低，不存在繼續(xù)調(diào)控的空間，往往難以實現(xiàn)對交錯磁體晶格維度的調(diào)控。因而研究團隊聚焦于一種新型的交錯磁體材料銻化鉻（CrSb），它的突出特征是兼顧了極高的對稱性和易操控的晶格特性。塊體CrSb的奈爾矢量平行于高對稱的晶軸，具有高對稱的磁空間群，反常霍爾效應等磁電輸運現(xiàn)象都被嚴格限制，因而序參量無法被讀出，操控也存在巨大困難。但CrSb六方晶系特有的易形變、易操控的晶格特征又賦予了CrSb薄膜產(chǎn)生反常霍爾效應等現(xiàn)象的可能性。
基于上述認識，該研究通過綜合基片選擇和生長條件控制等手段，生長出了高對稱晶面（0001）面垂直于基片表面的CrSb薄膜，在保持奈爾矢量的易軸取向不變的條件下成功誘發(fā)了CrSb中不同類型的晶格畸變，從而實現(xiàn)了鏡面對稱性的破缺和磁空間群的轉(zhuǎn)換（圖2）。交錯磁體序參量也隨著磁空間群的轉(zhuǎn)換而發(fā)生了重構(gòu)，成功地在晶體對稱性維度實現(xiàn)了對交錯磁體的調(diào)控。這不僅意味著能夠產(chǎn)生沿不同方向的反常霍爾矢量，而且能夠改變兩個磁性子晶格之間的磁相互作用的形式，產(chǎn)生不同取向的Dzyaloshinskii-Moriya矢量。
圖2.CrSb交錯磁體序參量的重構(gòu)和電學行為。（a）-（c），引入應變獲得的三種CrSb薄膜的晶格畸變、對稱性破缺和反常霍爾矢量
這一系列變化深刻地影響了CrSb薄膜中的電學輸運行為和序參量的動力學特征。基于重構(gòu)后的交錯磁體，有以下兩項具體發(fā)現(xiàn)。第一，首次在交錯磁體中實現(xiàn)室溫自發(fā)的反常霍爾效應（圖2）。此前基于奈爾矢量維度的調(diào)控始終無法讓交錯磁體中的反常霍爾效應兼顧室溫和自發(fā)兩個特性，而晶格維度的調(diào)控則讓大家期待已久的交錯磁體序參量的室溫電學探測成為了現(xiàn)實，為基于交錯磁體的信息存儲器件的數(shù)據(jù)讀出提供了重要契機。第二，提出了交錯磁體序參量的零磁場電學翻轉(zhuǎn)判據(jù)：當電流產(chǎn)生的自旋極化（p）、奈爾矢量（n）和Dzyaloshinskii-Moriya矢量（D）兩兩之間均存在垂直分量時，180度電學翻轉(zhuǎn)可以在零磁場的條件下實現(xiàn)（圖2）。交錯磁體在晶格層面的可調(diào)控特征豐富了其序參量電學翻轉(zhuǎn)的物理機制。研究團隊實現(xiàn)了有、無磁場輔助的兩類電學翻轉(zhuǎn)模式，翻轉(zhuǎn)效率均比鐵磁高一個數(shù)量級，為交錯磁體信息存儲單元的低功耗數(shù)據(jù)寫入提供了新策略（圖3）。
該研究中，對于交錯磁體的晶體對稱性的調(diào)控超越了簡單的“量變”積累，而實現(xiàn)了磁空間群轉(zhuǎn)換的“質(zhì)變”，不僅體現(xiàn)于對反常霍爾效應以及電學翻轉(zhuǎn)模式的調(diào)控，還將為交錯磁體的能帶及其演生的自旋劈裂力矩等研究提供新的視角。
圖3.CrSb/重金屬異質(zhì)結(jié)中兩種不同的電學翻轉(zhuǎn)模式。（a）磁場輔助的電學翻轉(zhuǎn)；（b）零磁場電學翻轉(zhuǎn)；（c）磁場誘導非對稱性的勢壘；（d）電流產(chǎn)生非對稱性的驅(qū)動力
相關(guān)研究成果以“利用晶體對稱性操控銻化鉻中的交錯磁體序參量”（Manipulation of the altermagneticorder in CrSbvia crystal symmetry）為題，于2月12日在線發(fā)表于《自然》（Nature）。
材料學院2020級博士生周致遠為論文的第一作者，宋成教授和潘峰教授為論文的通訊作者，其他重要合作者包括材料學院博士后褚瑞月、2019級博士生白樺和2020級博士生韓磊，以及香港科技大學物理系劉軍偉教授、博士生程星愷和胡夢黎。研究得到國家基金委專項項目和國家重點研發(fā)計劃等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08436-3
供稿：材料學院
編輯：李華山
審核：郭玲
