湖南
在材料科学领域，一项重大突破正在改写科学认知。科学家们成功将一种只存在于理论中的神奇材料 —— 交替磁体，变成了现实！
近年来，交替磁体受到全球科研人员的密切关注。它是一类新型材料，能在不依赖传统自旋 - 轨道耦合（SOC）机制和净磁化的情况下，展现出与动量相关的自旋分裂现象。简单来说，就是它能以一种独特的方式操控电子自旋，这在电子信息处理等领域具有巨大潜力。
此次突破性研究由香港科技大学物理系刘俊伟教授带领团队完成，相关成果发表在《自然・物理学》杂志上。他们首次通过实验，观测到了一种在室温下能稳定存在的二维层状交替磁体，证实了刘俊伟教授在 2021 年《自然・通讯》上发表的理论预测。
在电子技术中，产生和控制自旋极化电子态对于推动自旋电子学发展至关重要。自旋电子学是利用电子自旋来编码和处理信息的前沿领域。以往，实现自旋极化通常依赖电子自旋与轨道运动或磁场等其他性质的耦合，比如通过自旋 - 轨道耦合（在缺乏反演对称性的晶体中产生拉什巴 - 德雷塞尔豪斯效应），或者在铁磁体中打破时间反演对称性来实现。但这些方法存在一定局限性。
刘俊伟教授和团队提出了一种在反铁磁体中的全新机制。在特定的晶体对称性条件下，亚晶格之间通过交换耦合相互作用，能产生显著的自旋分裂，进而出现一种名为 C 配对自旋谷锁定的独特现象。关键是，这种机制不依赖自旋 - 轨道耦合和磁化，既具备反铁磁系统的稳定性，又能延长自旋寿命。基于此机制的材料被命名为 “交替磁体”，其发现还入选了《科学》杂志 2024 年十大突破。
此前，科学家们尝试探索基于多种新兴材料（如 α - MnTe、CrSb、MnTe₂和 RuO₂ ）的非常规反铁磁体，但都不太理想。像 α - MnTe 和 CrSb 的磁亚晶格具有 C₃对称性，导致各向同性电导和非极化电流；MnTe₂由于非共面磁结构，自旋不守恒，而且其临界温度低（只有 87K），实际应用受限；RuO₂的基态究竟是反铁磁还是非磁性还存在争议，尽管它有一些特殊效应。此外，这些材料都不是层状的，很难与其他材料剥离和集成，无法在微观层面调控材料性能，限制了二维材料在拓扑超导、电学性能调控等方面的研究。
因此，探索层状交替磁体材料对开发高密度、高速、低能耗的自旋电子器件意义重大。此次研究基于刘俊伟教授团队 2021 年对 V₂Te₂O 和 V₂Se₂O 的理论预测，利用自旋和角分辨光电子能谱（Spin - ARPES）、扫描隧道显微镜 / 光谱（STM/STS）以及第一性原理计算，在层状室温反铁磁化合物 Rb₁₋δV₂Te₂O 中实现了 C 配对自旋谷锁定。研究发现，通过 Spin - ARPES 测量能直接观测到 C 配对自旋谷锁定，相邻由晶体对称性 C 连接的 X 和 Y 谷之间自旋极化方向相反；温度相关的 ARPES 测量表明，自旋谷锁定在室温下依然稳定，与反铁磁相转变温度一致；ARPES 测量还证实了该材料具有很强的二维特性，kz 方向色散可忽略不计；STM 测量的准粒子干涉图案显示，由于自旋选择规则，谷间散射受到抑制。
刘俊伟教授的这项研究成果意义非凡，它首次展示了具有交替磁亚晶格的层状室温反铁磁金属，以及一种新型自旋分裂效应，为自旋电子学和谷电子学的进一步研究和应用提供了理想平台。所有实验结果与第一性原理计算高度吻合，不仅增强了人们对理论研究的信心，还暗示了这种材料在自旋守恒电流和非常规压磁方面的潜在应用。在 K 插入的 V₂Se₂O 中也观察到了类似的自旋谷锁定现象，进一步验证了 2021 年的理论预测。
这次发现为材料科学和电子技术发展开辟了新道路。大家觉得这种室温二维交替磁体在未来还能应用在哪些意想不到的领域呢？快来一起讨论吧！
参考资料：DOI:10.1038/s41567-025-02864-2
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