近日，重慶大學(xué)許東輝教授課題組在“交錯(cuò)磁性”這一前沿研究領(lǐng)域取得新的突破性進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)提出了“自旋-軌道交錯(cuò)磁性”的框架，旨在不依賴(lài)自旋軌道耦合情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子自旋與軌道自由度的協(xié)同調(diào)控。相關(guān)研究成果以“Spin-Orbital Altermagnetism”為題，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters) 【Phys. Rev. Lett. 135, 176705 (2025)】。這項(xiàng)工作是該課題組繼提出利用拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)中的“交錯(cuò)半量子化霍爾效應(yīng)”作為探測(cè)交錯(cuò)磁體動(dòng)量空間自旋極化“探針”的方案后【Phys. Rev. Lett. 135, 096602 (2025)】，又一重要理論進(jìn)展。

此項(xiàng)研究由重慶大學(xué)、浙江大學(xué)、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)田納西大學(xué)研究者共同完成，重慶大學(xué)為第一作者和通訊作者單位。重慶大學(xué)物理學(xué)院博士生王梓名和美國(guó)田納西大學(xué)Zhang Yang博士為論文共同第一作者。通訊作者包括重慶大學(xué)許東輝教授、浙江大學(xué)胡侖輝研究員、合肥國(guó)家實(shí)驗(yàn)室張松波研究員和美國(guó)田納西大學(xué)Zhang Yang博士。論文作者還包括美國(guó)田納西大學(xué)Elbio Dagotto教授和寧波大學(xué)孫金華副教授。 

圖1：波超導(dǎo)體與常規(guī)磁體、波超導(dǎo)體與波交錯(cuò)磁體類(lèi)比示意圖。

圖片來(lái)自：L. ?mejkal, et al, Phys. Rev. X 12, 040501 (2022).

長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)對(duì)磁性物質(zhì)的認(rèn)知主要建立在鐵磁（所有磁矩同向排列，產(chǎn)生宏觀(guān)磁性）和反鐵磁（相鄰磁矩反向排列，宏觀(guān)磁性抵消）兩大框架之上。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的交錯(cuò)磁性（Altermagnetism）作為第三種基本磁序，徹底改變了這一傳統(tǒng)版圖。該類(lèi)材料兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)：既像反鐵磁體一樣凈磁矩為零，對(duì)外界雜散磁場(chǎng)不敏感，又像鐵磁體可在動(dòng)量空間中產(chǎn)生獨(dú)特的非相對(duì)論性電子自旋劈裂。這種動(dòng)量空間中交替變化的自旋極化（如d波、g波對(duì)稱(chēng)性），使其成為非常規(guī)超導(dǎo)體的“磁性鏡像”，揭示了凝聚態(tài)物理中深刻的對(duì)稱(chēng)性關(guān)聯(lián)（圖1）。

然而，在電子的另一個(gè)基本自由度——軌道——與自旋之間建立聯(lián)系，通常依賴(lài)于相對(duì)論性的自旋-軌道耦合效應(yīng)。如何在非相對(duì)論框架下，實(shí)現(xiàn)自旋與軌道自由度的交織，構(gòu)筑全新的量子紋理，是該領(lǐng)域一個(gè)懸而未決的核心問(wèn)題。

圖2：自旋-軌道交替磁體晶格示意圖，及其動(dòng)量空間波、波自旋-軌道紋理。

針對(duì)這一核心問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了“自旋-軌道交錯(cuò)磁性”理論體系。該理論的核心是在多軌道系統(tǒng)中引入一個(gè)直接耦合自旋與軌道的磁有序，從而在不依賴(lài)相對(duì)論效應(yīng)的前提下，產(chǎn)生具有自旋-軌道紋理的新型交錯(cuò)磁體（圖2）。研究揭示了實(shí)現(xiàn)該物態(tài)的兩種不同的物理途徑：內(nèi)稟機(jī)制——源于電子相互作用導(dǎo)致自發(fā)宇稱(chēng)-時(shí)間反演聯(lián)合對(duì)稱(chēng)性破缺的自旋-軌道磁序；外稟機(jī)制——與Jahn-Teller畸變等晶格結(jié)構(gòu)相變所導(dǎo)致的平移對(duì)稱(chēng)性破缺相關(guān)。

圖3：波自旋-軌道交錯(cuò)磁體中自旋-軌道紋理的極化率和自旋分辨軌道極化的信號(hào)。

研究團(tuán)隊(duì)還提出，可通過(guò)測(cè)量自旋電導(dǎo)與自旋分辨的軌道極化等物理量（圖3），來(lái)區(qū)分不同類(lèi)型的自旋-軌道交錯(cuò)磁體。此外，理論還預(yù)測(cè)，在特定條件下，該體系可誘導(dǎo)出微弱的凈磁化（弱鐵磁性），并伴生反常霍爾效應(yīng)，為實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)提供了便捷而有力的“指紋”信號(hào)。

這項(xiàng)工作豐富了交錯(cuò)磁性的物理內(nèi)涵和分類(lèi)，為探索自旋與軌道自由度鎖定的物理現(xiàn)象開(kāi)辟了一個(gè)新的、基于非相對(duì)論機(jī)制的廣闊平臺(tái)。

該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、重慶自然科學(xué)基金和中央高?；究蒲械软?xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cjzw-j4v7 

來(lái)源：物理學(xué)院