南方科技大学，重磅Nature！

一、【导读】

凝聚态系统中电子自旋的空间、动量和能量分离指导了产生和操纵自旋极化电流的新器件的开发。最近对磁性材料中一组以前被忽视的对称操作的关注，导致了一种新型自旋分裂的出现，使选定的反铁磁体（AFM）上的能带出现巨大的和与动量相关的自旋极化。在某些反铁磁体中，即使在没有自旋-轨道耦合（SOC）的情况下，也预测了一种由长程磁序引起的新型自旋分裂。这种方案允许选择轻元素材料来产生，例如，自旋电流和隧穿磁阻效应，大大扩大了AFM自旋电子学的范围。这些新磁体中允许的对称操作不是经过充分研究的（磁性）空间群，而是由称为自旋空间群的增强对称群完全描述的，其中晶格旋转和自旋旋转的解耦允许某些被常规磁空间群排除的对称操作，从而导致奇异的物理现象。同时，AFM诱导的自旋分裂的外观是独一无二的，因为它的分裂规模取决于电子的动量，并且可能比已知最大的拉什巴效应大得多。尽管理论预测不断增长，但仍然缺乏对这种自旋分裂的直接光谱证据。

二、【成果掠影】

在此，南方科技大学刘畅副教授，刘奇航教授联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所乔山研究员等人（共同通讯作者）为这种材料的存在提供了可靠的光谱和计算证据，在非共面反铁磁体中二碲化锰（MnTe₂），发现自旋的面内分量相对于布里渊区的高对称平面是反对称的，在反铁磁（AFM）基态中包含格子状自旋织构。这种非常规的自旋模式，进一步发现在高温顺磁态下减弱，其起源于固有的AFM顺序，而不是自旋-轨道耦合（SOC）。本文的发现证明了一种由时间反转断裂引起的新型二次自旋织构，使AFM自旋电子学奠定了坚实的基础，并为研究相关材料中的奇异量子现象铺平了道路。

相关研究成果以“Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

1.本文使用自旋分辨和角度分辨光发射光谱（SARPES）测量和理论分析，明确地证明了这种AFM诱导的自旋分裂效应在非共面反铁磁体MnTe₂上的存在。凭借最先进的SARPES设备，观察到体带上自旋的面内分量在水平和垂直高对称平面上都是反对称的。因此，自旋纹理在三维布里渊区形成格子图案，与计算一致。

2.与温度相关的SARPES测量进一步表明，观察到的自旋极化与AFM到顺磁性跃迁有关。本文的工作揭示了由磁交换引起的二次自旋分裂效应，在自旋结构和潜在机制方面与著名的Zeeman，Rashba和Dresselhaus效应不同。

四、【数据概览】

图1 MnTe₂的自旋分裂效应的不同原型和DFT计算结果© 2024 Springer Nature

图2 在k_z=−0.2π/c处的平面内旋转的格子状纹理© 2024 Springer Nature

图3 不同k_z值下S_x极化的反转© 2024 Springer Nature

图4 能带结构和S_x极化的温度依赖性© 2024 Springer Nature

五、【成果启示】

综上所述，本文的系统SARPES测量证明了在非共面反铁磁体MnTe₂中存在一种由固有AFM阶引起的新型动量依赖自旋分裂。其中，非共面和非共线反铁磁体中的这种自旋分裂与共线交替磁体中具有相同的起源，局部AFM场以相同的方式耦合电子自旋及其运动。同时，MnTe₂中与动量相关的自旋分裂带能有效地产生自旋极化电流，导致磁自旋霍尔效应、自旋分裂效应、隧穿磁电阻等。此外，这种自旋分裂效应也可能存在于各种量子材料，如莫特绝缘体，非常规超导体的本征化合物和三维量子霍尔材料，提供一个路径研究这些奇异的物质和自旋电子学潜在的应用。

文献链接：“Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet”（Nature，2024，10.1038/s41586-024-07023-w）

本文由材料人CYM编译供稿。