物理系、量子科学与工程研讨院刘畅副教授课题组，刘奇航教授课题组和中国科学院上海微系统与信息技能研讨所乔山研讨员课题组协作，在反铁磁资料的电子结构研讨中获得开展。研讨团队初次在试验上直接观测到了反铁磁资猜中自旋劈裂的能带，相关效果以“Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet”为题宣布在国际学术期刊《天然》（Nature）上。

  固体资料的磁性来源于构成晶格的原子的磁矩的有序排布，带有磁矩的磁性原子能够被看作一个具有南北极的细小磁铁。铁磁体(ferromagnet) 具有微观磁性，是晶体中所有磁性原子的磁矩都沿同一方向摆放构成的（图1a）。反铁磁体(antiferromagnet) 没有微观磁性，则是晶体中磁性原子的磁矩沿着相反的方向规则排布构成的（能够是由图1b所示的“上下上下”，也能够是“上上下下”），这使得资料的总磁矩为零。

  假如有一个电子在图1a所示的铁磁体中络绎，那么这个电子自身的磁矩（电子具有自旋，因而也具有磁矩）朝下的几率将大于磁矩朝上的几率，因为原子磁矩的N极和电子磁矩的S极彼此招引。这种状况是所谓“能带的自旋劈裂”，即电子坐落自旋朝下的能带[1]时，系统的能量低于它坐落自旋朝上的能带时系统的能量，而能量低的状况十分容易发生（图1a右图中赤色的能带标明电子磁矩向下，它坐落能量轴较低的方位）。铁磁体中自旋劈裂引起的自旋极化电流直接引发了失常霍尔效应和磁光效应等，更催生了“自旋电子学”这一赋有生机的前沿学科。现在，自旋电子学设备大多使用铁磁体作为自旋流的操纵器，它以电子的自旋为信息载体，通过勘探和控制自旋的状况完成信息的表达、存储和读写。这一学科现已开展为物理学和资料科学研讨的热门，带来了高容量磁随机存储器等对人类影响深远的立异研讨效果。

  图1 铁磁体、惯例反铁磁体和具有自旋劈裂的十分规反铁磁体的自旋极化电荷密度，能带的自旋极化在三维布里渊区的散布，以及自旋分辩能带

  假如有一个电子在图1b所示的惯例反铁磁体中络绎，那么这个电子自身磁矩朝下和朝上的几率将持平，因为原子海洋中的总磁矩为零。这种状况便是“能带不发生自旋劈裂”，即电子坐落自旋朝上的能带时，系统的能量等于它坐落自旋朝下的能带时系统的能量（图1b右图的能带为灰色，标明磁矩向上和向下的电子能量严厉持平）。因为反铁磁资料没有微观磁性，其间的原子磁矩便很难被外场调控。例如，磁带的磁头（铁磁体）挨近反铁磁体时，反铁磁体中的原子磁矩将“无动于衷”。这使得反铁磁资料难以像铁磁贮存介质那样完成信息的写入和读取。依据这个理由，反铁磁资料的发现者、诺贝尔奖得主Louis Néel以为反铁磁资料是“风趣但无用的”(interesting but useless)。但是，在某些方面，反铁磁体比较于铁磁体却具有不行忽视的优势。例如，反铁磁体独有的太赫兹自旋动力学特功用轻松完成极快的、皮秒级时刻尺度的磁矩回转。

  由以上的剖析清楚明了，抱负的下一代自旋电子学资料需求具有铁磁体易于写入和读取信息的特性，也需求具有反铁磁体以高稳定性、高密度贮存信息的才能和超快的自旋动力学性质。这看上去是自相矛盾的要求。但是，近期人们通过理论预言了一类特别的反铁磁体，它们尽管不显现微观磁性，但和铁磁体相同具有自旋劈裂的能带，也便是说它们具有自旋极化的输运行为。图1c是这类新颖资料的简略示意图。在这种磁性资猜中，磁性原子的磁矩和传统反铁磁体相同沿相反的方向规则排布，资料的总磁矩仍旧为零。但重要的是，自旋向上的小磁铁的形状和自旋向下的小磁铁的形状[2]不相同：一个比较“长”，一个比较“扁”。这样的话，资猜中自旋方向不同的两个子晶格便不能以空间平移或许反演操作联系起来（即把榜首个小磁铁向右平移到第二个小磁铁时，二者的形状不能符合）[3]。令人惊讶的是，依据理论预言，这类反铁磁体的能带是自旋劈裂的，且能带左半边和右半边的自旋彻底相反（图1c右图所示）。最近引起人们广泛重视的“交织磁体”(altermagnet) 就归于这类十分规反铁磁体[4]，人们逐步在十分规反铁磁体中发现如自旋极化电流、失常霍尔效应、磁光效应等本来只在铁磁体中被观察到的现象。也便是说，十分规反铁磁体能够充任自旋流的发生器和操纵器，也可当作功用层与其他资料结合，发生马约拉纳零能模、自旋泵浦效应和Josephson效应等。它们的呈现打破了反铁磁资料“无用”的局势，有望替代铁磁体成为自旋电子学的资料根底。

  近几年，研讨人员对具有自旋劈裂的十分规反铁磁体的理论研讨现已欣欣向荣，南科大刘奇航教授课题组在这一范畴走在国际前列。但是，关于十分规反铁磁体的试验研讨依然十分稀疏，尤其是对其最重要的特性，即自旋劈裂能带的直接丈量依然缺失。这种丈量能证明反铁磁体中自旋劈裂的存在，对磁性资料范畴及自旋电子学的开展具有深远含义。而对自旋劈裂能带最直接的丈量方法便是自旋-角分辩光电子能谱(SARPES) 技能——一种能够对固体的能带结构和能带的自旋作直接定量丈量的先进表征技能。在本课题中，研讨团队结合SARPES技能和理论核算，对满意对称性要求的反铁磁资料MnTe2的能带自旋进行了详细研讨。MnTe2是一种具有中心反演对称性的非共面反铁磁资料[5]。依据密度泛函理论的榜首性原理核算(DFT) 标明，MnTe2的能带是高度自旋极化的，且自旋极化方向关于动量空间布里渊区[6]的高对称面是反对称的（图2a）。SARPES数据标明，沿着Cut 1和Cut 3方向的能带呈现出空袋的形状，且都有着十分显着的沿x方向的自旋极化。沿着Cut 1方向能带的顶部和两头具有相反的自旋极化；而沿着Cut 3测验得到的能带表现出自旋关于kx= 0面反对称的特征。这些结果与DFT核算的体能带特征相一致（图2b,c）。通过改换面外动量的巨细，研讨团队发现能带自旋关于kz= 0面也是反对称的。此外，当资料的温度升至一个特定温度以上时，系统的反铁磁性变成顺磁性。SARPES丈量显现此刻能带的自旋极化简直消失。很多的数据标明，MnTe2存在理论预言的反铁磁序诱导的自旋劈裂行为。

  图2使用密度泛函理论(DFT) 和自旋-角分辩光电子能谱(SARPES) 研讨MnTe2的电子结构，图中的蓝色和赤色代表两种不同的自旋。a，DFT核算得到的自旋分辩等能面，界说自旋Sα沿kα方向（α = x, y, z）。b和c别离为SARPES和DFT核算得到的沿Cut 1和Cut 3的自旋分辩能带

  图3MnTe2中外表自旋轨道耦合引起的自旋劈裂和身形反铁磁序引起的自旋劈裂的比较，包含对称性、kp模型和答应的面内自旋纹路类型

  研讨团队进一步发现，MnTe2中由反铁磁序引起的自旋劈裂和传统非磁系统中自旋轨道耦合引起的自旋劈裂（例如Rashba型、Dresselhaus型）具有十分显着差异。关于非磁系统中自旋轨道耦合引起的自旋劈裂，因为时刻反演对称性的存在，系统需求破缺空间反演对称性。这时，在描绘自旋劈裂的kp哈密顿量中仅答应动量k的奇数阶多项式，例如线性的Rashba或Dresselhaus项。而关于反铁磁体MnTe2，系统具有空间反演对称性和破缺时刻反演对称性，因而仅答应动量k的偶数阶的自旋劈裂项。详细而言，MnTe2在动量空间高对称点邻近打开的自旋劈裂哈密顿量能够写为k的偶数阶多项式，由此构成一种全新的二次型自旋织构（图3）。

  该作业初次在试验上直接证明了具有自旋劈裂能带的十分规反铁磁资料的存在，对反铁磁自旋电子学未来的研讨和使用具有指导含义。在研讨过程中，研讨团队尝试了多种不同的反铁磁体候选资料，终究选定了反铁磁磁畴较大的MnTe2作为研讨目标；也克服了仪器频频毛病等技能困难[7]，通过一年多的数据搜集，终究成文。

  本论文榜首作者为南科大物理系博士研讨生朱煜鹏、博士后陈晓冰，刘畅、刘奇航和乔山为论文一起通讯作者。论文协作者包含西湖大学何睿华教授课题组，上海光源BL09U（梦之线）黄耀波研讨员，德国斯图加特大学J?rg Wrachtrup教授课题组，上海光源BL03U沈大伟、叶茂、刘正太课题组，日本广岛同步辐射光源Masashi Arita工程师，日本UVSOR光源Kiyohisa Tanaka博士等。南科大物理系和量子科学与工程研讨院为论文榜首单位。此项作业得到了国家要点研制方案、国家天然科学基金、广东省要点范畴研制方案、广东省要点试验室、广东省立异创业团队方案和深圳市科技方案的赞助。

  [1]“能带”是固体物理学中的一个概念，和量子力学里势阱中分立的“能级”相似。当许多原子调集在一起构成周期性的晶格时，平整的能级就演化成曲折的能带。

  [3] 严厉地说，这种自旋劈裂现象的发生需求系统一起破缺PT和Uτ对称性。这儿P和T别离指空间反演对称性算符和时刻反演对称性算符；U和τ别离指自旋翻转算符和晶格平移算符。

  [4] 交织磁体被界说为具有自旋劈裂的共线反铁磁体（原子磁矩的两种朝向严厉反平行的反铁磁体）。另一方面，自旋劈裂的反铁磁体不仅仅包含交织磁体，也包含非共线乃至非共面的反铁磁体。

  [5] MnTe2是一种非共面的反铁磁体，因而它不是交织磁体，但它的自旋劈裂行为的发生机理和交织磁体彻底相同。