交错磁体（Altermagnets）的特征在于其能带结构中存在非相对论性的交替自旋分裂，以及在实空间中具有共线的补偿磁矩。它们结合了铁磁性和反铁磁性序的优点，展现出破坏时间反演对称性的磁响应、近乎消失的杂散场以及高频自旋动力学特性。因此，交错磁体在多个研究领域具有巨大潜力，尤其是在开发自旋电子器件方面，例如高密度磁存储器和太赫兹纳米振荡器。此外，交替磁性存在于包括金属、半导体、绝缘体和超导体在内的广泛材料中，从而激发了功能材料研究的广泛兴趣。
在此，清华大学宋成教授，捷克ASCR物理研究所Helena Reichlova，瑞士保罗谢勒研究所J. Hugo Dil 和香港科技大学刘军伟副教授等人概述了交错磁体的最新实验进展，特别关注通过光谱技术观察到的自旋简并性的解除以及由此产生的自旋输运现象。同时，还讨论了交替磁体的未来研究方向，涵盖自旋电子学、磁子学、超快光子学和声子学等领域，以及超导性、拓扑性和多铁性等特性。
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交错磁性是一种新型磁性，超越了传统铁磁性和反铁磁性，近年来在基础物理和器件应用领域受到广泛关注。其独特之处在于，尽管具有补偿的共线磁性配置，但能带结构中存在非相对论性自旋分裂，能够产生类似铁磁体的时间反演对称性破缺的磁响应，同时具备反铁磁体的低杂散场和太赫兹动态频率特性。这些特性源于其独特的晶体和自旋对称性。
与传统反铁磁体不同，交替磁体的自旋分裂源于交换耦合而非自旋轨道耦合（SOC），因此能带分裂能量较高（约电子伏特）。其电子结构中的自旋构型可能与Pomeranchuk不稳定性有关。交替磁体的磁性状态可以用Néel矢量描述，反映相反子晶格中磁矩的差异。交错磁体的材料种类丰富，涵盖金属、半导体、绝缘体和超导体。例如，α-MnTe半导体实现了高温磁性和半导体特性的共存，为场效应可调自旋电子器件提供了新机遇。此外，交替磁性绝缘体（如正铁酸盐）的手性分裂磁子带可推动自旋波研究，而其与自旋三重态超导性的兼容性则为探索零杂散场的非常规超导体提供了平台。有机化合物和范德华尔斯体系也被预测具有交替磁性，二维材料的扭曲工程有望创造新型交替磁体。
根据动量空间中交替自旋极化的对称性，交替磁体可表现出d波、g波或i波磁化密度，分别具有不同数量的自旋简并节点表面。d波交替磁体的低对称性使其具有各向异性自旋-动量耦合和自旋依赖电导率，可产生巨大磁阻效应，而更高对称性的g波交替磁体则禁止这种效应。此外，奇数对称性波磁体（如p波磁体）表现出独特的非相对论性反对称自旋分裂，在自旋电流产生方面具有巨大潜力。总体而言，交替磁体是一类广泛的磁性材料，不依赖稀有或有毒元素，展现出奇异的磁响应，在自旋电子学、磁子学、超快光子学等领域具有巨大应用潜力。
本文主要总结了交错磁性领域的最新实验进展，概述了交错磁性自旋电子学中具体的实验任务，并探索了其在多个研究领域（包括磁子学、超快光子学、声子学以及超导性、拓扑性和多铁性等特性）中的潜在应用。
图1：在铁磁体、传统的共线反铁磁体和交流磁体中的自旋构型。
交错磁性自旋分裂的光谱表征
非相对论性的自旋简并交替分裂是交替磁体的核心特征。大量研究致力于通过光谱技术直接探测倒空间中具有交替磁对称性的自旋分裂。作者总结了通过光谱技术观察到的交替磁性自旋分裂的研究进展。
一、软X射线角分辨光电子能谱（SX-ARPES）；角分辨光电子能谱（ARPES）是研究材料电子能带结构的强大工具，特别适合探测交替磁体中的自旋分裂。表面反演对称性的破坏会诱导相对论性的自旋分裂，但这种自旋分裂与交替磁性引起的自旋分裂具有不同的对称性，因此可以区分。
二、自旋分辨角分辨光电子能谱（SARPES）；SARPES能够在低光子能量下直接区分自旋向上和自旋向下的能带。这种技术对于探测自旋纹理至关重要，并可以通过对称性区分交替磁性自旋分裂与铁磁性或相对论性自旋分裂。
三、X射线磁圆二色性（XMCD）；X射线吸收光谱是元素特异性光谱和成像的关键技术，包含两种主要的磁性检测模式。一种是X射线磁线性二色性（XMLD），它对Néel矢量轴敏感，但无法区分其相反符号；另一种是X射线磁圆二色性（XMCD），它依赖于时间反演对称性破缺，可以确定交错磁体中Néel矢量的符号。
图2：利用光谱技术直接观察交流磁体中的提升自旋简并度。
交错磁体的自旋分裂带结构能够诱导时间反演对称性破缺的多种自旋现象，这些现象在自旋电子学中具有重要意义。例如，反常霍尔效应（AHE）和反常奈斯特效应等异常磁输运现象在交替磁体中表现出对Néel矢量取向的依赖性，可用于数据读出。通过电流诱导的自旋轨道力矩和应变调控，可以实现Néel矢量的翻转和磁性状态的改变，为数据写入提供了可能。此外，交替磁体还能实现非相对论性的电荷-自旋转换，例如通过自旋扭矩铁磁共振和高次谐波霍尔测量验证的自旋电流生成，以及通过电场自旋注入、热自旋输运和光学太赫兹发射实现的自旋到电荷的转换。这些特性不仅展示了交替磁体在自旋电流生成和自旋到电荷转换方面的潜力，还为开发高效自旋电子器件提供了新思路。
由交错磁性自旋分裂带诱导的自旋现象
自旋与电荷之间的相互作用是自旋电子学的核心研究内容之一，这种相互作用可以通过多种外部刺激进行调控，包括磁场、电场、光或热激发以及应变。此外，交错磁性可以通过多种方法进行调控，例如电流和应变，为数据写入提供了潜在途径。
二、交错磁体的调控；异常磁输运现象能够实现Néel矢量的检测，这对于数据读出至关重要。此外，应变也可以有效调控交替磁性。衬底诱导的晶体畸变降低了薄膜的磁对称性，从而观察到自发的AHE。
三、电荷-自旋转换；交替磁体的自旋分裂带结构能够实现非相对论性和守恒的自旋电流生成。例如，通过自旋扭矩铁磁共振和高次谐波霍尔测量，已经在实验中验证了这种行为。此外，交替磁体还可以实现非相对论性的自旋到电荷转换。这些研究不仅揭示了交错磁体在自旋电流生成和自旋到电荷转换方面的潜力，还为开发高效的自旋电子器件提供了新的思路。
图3：在AMs中的自旋传输行为。
自旋电子学
构建多功能器件是自旋电子学的最终目标，其中高性能磁随机存取存储器（MRAM）是主要追求对象。目前，铁磁性MRAM受限于存储密度低和操作速度慢，而反铁磁性MRAM有望克服这些问题。然而，反铁磁体中的自旋简并性使得生成自旋极化电流以及实现巨大磁阻或隧道磁阻（TMR）变得困难，从而复杂化了数据读出。初步结果表明，RuO2可能是电极候选材料，但其交替磁性本质仍需进一步明确，需要大量研究来探索具有更大TMR比的材料。随后，将电学调控集成到交替磁性隧道结中，并实现室温下的电学读写能力，将是具有里程碑意义的成就。
值得注意的是，基于交错磁体的MRAM面临一些技术挑战。主要问题是交替磁性依赖于特定的晶体和自旋对称性，而这些对称性通常会在商业自旋电子器件中常用的多晶样品中被破坏。解决这一问题至关重要，尤其是关于织构化和实现稳健响应所需的结晶度。类似地，多畴的存在会削弱交替磁性诱导的宏观响应，这强调了制造具有大畴的交替磁体样品的必要性。
图4：交流磁性带来的新视野。
综上所述，将铁电性和反铁磁性相结合的多铁性材料是功能材料研究中的一个活跃领域。然而，实现单一材料中铁电性和铁磁性的耦合，尤其是电极化和自旋极化的耦合，仍面临挑战。交错磁体为铁电性和自旋极化的共存提供了可能，从而实现对自旋输运的高效电场调控。同时，制备多铁性交错磁体的关键在于将极性空间群与交替磁性空间群相结合。这些材料表现出活跃的离子迁移特性，能够实现电场调控的铁电性和交替磁性。更奇特的实现方式可能是在二维极限下实现多铁性和交替磁性的共存，这可以通过新兴的摩尔工程技术实现，该技术能够产生新颖的铁电态。此外，通过范德华反铁磁绝缘体的扭曲堆叠也是制备多铁性交替磁体的自然途径。尽管交错磁性是一个新兴的研究领域，但它在基础物理和实际应用方面都展现出巨大的潜力。在未来，理论和实验研究将加深对这些有前景材料的理解，并推动功能器件的发展。
宋成，博士，清华大学长聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。研究方向为信息功能材料，主要包括自旋电子学材料、声表面波滤波器和磁声耦合器件。在Nature Materials和Nature Electronics等期刊发表学术论文200余篇，论文被引用13000余次。曾获两项国家科技奖励、五项省部级科技奖励和首届“卓越青年研究生导师奖励基金”。兼任中国材料研究学会常务理事/青委会主任、中国真空学会理事/薄膜专委会副主任。
Cheng Song, Hua Bai, Zhiyuan Zhou, Lei Han, Helena Reichlova, J. Hugo Di, Junwei Liu , Xianzhe Chen, Feng Pan, Altermagnets as a new class of functional materials, Nature Reviews Materials, https://doi.org/10.1038/s41578-025-00779-1