南科大：非常规反铁磁体CrSb的自旋劈裂能带结构研究取得进展

近日，南方科技大学物理系副教授刘畅课题组利用高分辨率角分辨光电子能谱技术（Angle-resolved Photoemission Spectroscopy, ARPES），首次在室温非常规反铁磁金属CrSb中观测到显著的各向异性自旋劈裂能带结构，与理论预测结果吻合。该研究中测得的自旋劈裂强度达0.8 eV，超过以往报道的材料，显示CrSb在未来自旋电子学存储器件中的巨大潜力。相关研究成果以《在室温非常规反铁磁金属CrSb中观测到自旋劈裂》（“Observation of Spin Splitting in Room-Temperature Metallic Antiferromagnet CrSb”）为题，发表在学术期刊《先进科学》（Advanced Science）上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202406529

在凝聚态物理学中，对称性和磁性是核心研究要素。传统的空间群和磁空间群理论难以有效描述那些自旋轨道耦合效应较弱、由低原子序数元素构成的磁性材料的新奇性质。为此，包括我校刘奇航教授在内的理论家们提出了自旋群理论。该理论不仅考虑了空间对称性，还兼顾了材料中电子自旋的排列和分布特性，从而更准确地表征此类非常规磁性材料的对称性。自理论提出以来，关于非常规反铁磁体的磁学和电学性质的实验研究不断涌现，展现出这类材料在磁存储和自旋电子学应用中的巨大潜力。

CrSb是一种非常规反铁磁体，其独特的对称性仅能通过自旋群来描述。CrSb的能带结构呈现出显著的动量依赖性自旋劈裂，这种劈裂源于材料固有的对称性，与主要依赖自旋轨道耦合效应的Rashba效应和Dresselhaus效应有本质区别。在此论文中，刘畅团队生长出高质量的 (001) 和 (100) 面CrSb单晶样品，并利用高分辨率ARPES观测其自旋劈裂结构，验证了这一由自旋群所定义的全新的自旋劈裂机制。为验证CrSb能带自旋劈裂在面外动量 (kz) 方向上的动量依赖性，研究团队在不同kz值下进行了ARPES测试，结果如图1所示。随着kz的变化，能带从高对称点处的简并态逐渐劈裂成两条，随后劈裂强度减小，在另一个高对称点处重新变为简并态，契合自旋群群元 [C2||Mz] 所描述的对称性。为验证自旋劈裂的面内各向异性，研究团队进行了特定kz值下的kx-ky等能面扫描以及不同动量方向的能带色散测量。如图2所示，在 Γ - ‌Μ 方向能带发生劈裂，而在 Γ - Κ 方向能带简并。此实验结果契合自旋群群元 [C2||C6zt] 所描述的对称性。

图1. 面外动量方向上CrSb自旋劈裂的演化。a) CrSb三维布里渊区以及测量位置示意图；b) EB = 0.6 eV 处的kz-kx色散关系；c) 第一行：不同kz位置的 Γ - ‌Μ 方向能带色散；第二行：对应的二次微分图；第三行：对应的能带计算结果；第四行：动量分布曲线及峰值拟合。

图2. 面内动量方向上CrSb自旋劈裂的演化。a) 测量位置示意图；b) 106 eV下的不同EB的等能面；c) 第一行：不同面内动量方向的能带色散；第二行：对应的二次微分图；第三行：对应的能带计算结果；第四行：动量分布曲线及峰值拟合。

此研究通过结合单晶生长与ARPES技术，首次在室温非常规反铁磁金属CrSb中观测到强自旋劈裂现象，且其劈裂强度超过传统材料。这一突破不仅揭示了CrSb独特的自旋劈裂机制，也表明它有望成为下一代自旋电子学存储器件的理想材料。具有自旋劈裂的非常规反铁磁体在信息存储领域的应用价值和战略意义十分突出，特别是在下一代磁存储器中，相较于传统的铁磁材料，这类材料在信息存储效率、抗干扰性和集成密度上均有望实现突破性提升。此研究为磁存储技术的进一步发展提供了关键的实验依据和新的研究思路。

该论文的第一作者为南科大物理系博士研究生曾猛、朱明远和朱煜鹏，刘畅副教授为论文通讯作者，南科大为论文第一通讯单位。论文合作者包括南科大物理系刘奇航教授、上海光源BL09U（梦之线）黄耀波研究员、上海光源BL03U叶茂及刘正太副研究员课题组、日本广岛大学同步辐射中心主任岛田贤也教授以及线站科学家有田将司工程师、日本SPring-8光源BL25SU线站科学家山神光平、东南大学张晓倩副研究员等。此研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划、广东省计算科学与新材料设计重点实验室、广东省创新创业团队计划、广东省自然科学基金、深圳市科技计划的资助。ARPES实验在上海光源BL03U，梦之线 (BL09U)，日本广岛大学同步辐射中心BL9A，日本SPring-8光源BL25SU线站完成。

本文来自：南科大。