清華新聞網(wǎng)2月13日電 清華大學(xué)材料學(xué)院/先進(jìn)材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋成、潘峰團(tuán)隊(duì)近日在交錯(cuò)磁體領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)了從晶格維度對(duì)交錯(cuò)磁體的高效調(diào)控。
傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，鐵磁與反鐵磁的特征是互相排斥、涇渭分明的。2019至2022年期間，國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究組從理論上提出了一種新的磁性物相——交錯(cuò)磁體（altermagnet），打破了近百年來(lái)的這一認(rèn)知。交錯(cuò)磁體融合了鐵磁體具有自旋劈裂能帶和反鐵磁體本征頻率高的雙重優(yōu)勢(shì)，如果能通過(guò)有效調(diào)控在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域中加以利用，將有望大幅提升信息存儲(chǔ)的速度、密度和能效（圖1）。2022年5月，宋成及合作者與美國(guó)康奈爾大學(xué)丹尼·爾拉夫（Daniel Ralph）研究組同期獨(dú)立報(bào)道了交錯(cuò)自旋劈裂力矩效應(yīng)，被國(guó)際同行認(rèn)為是驗(yàn)證交錯(cuò)磁體概念的“原創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，2024年，國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究組通過(guò)角分辨光電子能譜技術(shù)直接觀(guān)測(cè)到交錯(cuò)自旋劈裂能帶。交錯(cuò)磁體的系列發(fā)現(xiàn)與“筷子”成功夾住火箭等一起入選了《科學(xué)》2024年度十大科學(xué)突破。
圖1.鐵磁、反鐵磁和交錯(cuò)磁體的自旋構(gòu)型對(duì)比
以往交錯(cuò)磁體領(lǐng)域的研究主要聚焦于從輸運(yùn)性質(zhì)和譜學(xué)特征角度對(duì)交錯(cuò)磁體進(jìn)行表征，而對(duì)交錯(cuò)磁體的調(diào)控則局限于奈爾矢量的層面，尤其是利用奈爾矢量的取向調(diào)控反常霍爾效應(yīng)等磁電輸運(yùn)現(xiàn)象。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，交錯(cuò)磁體的形成源于相反取向的磁性子晶格附近截然不同的晶體環(huán)境，因而交錯(cuò)磁體的序參量不僅依賴(lài)于奈爾矢量的取向，還強(qiáng)烈敏感于晶體對(duì)稱(chēng)性。相較于對(duì)奈爾矢量調(diào)控的廣泛研究，研究者們對(duì)晶體對(duì)稱(chēng)性層面的調(diào)控卻鮮有關(guān)注?；谶@一研究現(xiàn)狀，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，如果能跳出傳統(tǒng)的研究視角，利用晶體對(duì)稱(chēng)性實(shí)現(xiàn)對(duì)交錯(cuò)磁體的調(diào)控，將為進(jìn)一步揭示交錯(cuò)磁體的本質(zhì)和產(chǎn)生新奇磁電輸運(yùn)現(xiàn)象等提供新的維度。
常見(jiàn)的交錯(cuò)磁體（如RuO2、Mn5Si3、MnTe等）材料，要么具有極高的對(duì)稱(chēng)性，而且對(duì)稱(chēng)性不易被操控，要么對(duì)稱(chēng)性較低，不存在繼續(xù)調(diào)控的空間，往往難以實(shí)現(xiàn)對(duì)交錯(cuò)磁體晶格維度的調(diào)控。因而研究團(tuán)隊(duì)聚焦于一種新型的交錯(cuò)磁體材料銻化鉻（CrSb），它的突出特征是兼顧了極高的對(duì)稱(chēng)性和易操控的晶格特性。塊體CrSb的奈爾矢量平行于高對(duì)稱(chēng)的晶軸，具有高對(duì)稱(chēng)的磁空間群，反?；魻栃?yīng)等磁電輸運(yùn)現(xiàn)象都被嚴(yán)格限制，因而序參量無(wú)法被讀出，操控也存在巨大困難。但CrSb六方晶系特有的易形變、易操控的晶格特征又賦予了CrSb薄膜產(chǎn)生反?；魻栃?yīng)等現(xiàn)象的可能性。
基于上述認(rèn)識(shí)，該研究通過(guò)綜合基片選擇和生長(zhǎng)條件控制等手段，生長(zhǎng)出了高對(duì)稱(chēng)晶面（0001）面垂直于基片表面的CrSb薄膜，在保持奈爾矢量的易軸取向不變的條件下成功誘發(fā)了CrSb中不同類(lèi)型的晶格畸變，從而實(shí)現(xiàn)了鏡面對(duì)稱(chēng)性的破缺和磁空間群的轉(zhuǎn)換（圖2）。交錯(cuò)磁體序參量也隨著磁空間群的轉(zhuǎn)換而發(fā)生了重構(gòu)，成功地在晶體對(duì)稱(chēng)性維度實(shí)現(xiàn)了對(duì)交錯(cuò)磁體的調(diào)控。這不僅意味著能夠產(chǎn)生沿不同方向的反?；魻柺噶?，而且能夠改變兩個(gè)磁性子晶格之間的磁相互作用的形式，產(chǎn)生不同取向的Dzyaloshinskii-Moriya矢量。
圖2.CrSb交錯(cuò)磁體序參量的重構(gòu)和電學(xué)行為。（a）-（c），引入應(yīng)變獲得的三種CrSb薄膜的晶格畸變、對(duì)稱(chēng)性破缺和反?；魻柺噶?/p>
這一系列變化深刻地影響了CrSb薄膜中的電學(xué)輸運(yùn)行為和序參量的動(dòng)力學(xué)特征?；谥貥?gòu)后的交錯(cuò)磁體，有以下兩項(xiàng)具體發(fā)現(xiàn)。第一，首次在交錯(cuò)磁體中實(shí)現(xiàn)室溫自發(fā)的反?；魻栃?yīng)（圖2）。此前基于奈爾矢量維度的調(diào)控始終無(wú)法讓交錯(cuò)磁體中的反常霍爾效應(yīng)兼顧室溫和自發(fā)兩個(gè)特性，而晶格維度的調(diào)控則讓大家期待已久的交錯(cuò)磁體序參量的室溫電學(xué)探測(cè)成為了現(xiàn)實(shí)，為基于交錯(cuò)磁體的信息存儲(chǔ)器件的數(shù)據(jù)讀出提供了重要契機(jī)。第二，提出了交錯(cuò)磁體序參量的零磁場(chǎng)電學(xué)翻轉(zhuǎn)判據(jù)：當(dāng)電流產(chǎn)生的自旋極化（p）、奈爾矢量（n）和Dzyaloshinskii-Moriya矢量（D）兩兩之間均存在垂直分量時(shí)，180度電學(xué)翻轉(zhuǎn)可以在零磁場(chǎng)的條件下實(shí)現(xiàn)（圖2）。交錯(cuò)磁體在晶格層面的可調(diào)控特征豐富了其序參量電學(xué)翻轉(zhuǎn)的物理機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了有、無(wú)磁場(chǎng)輔助的兩類(lèi)電學(xué)翻轉(zhuǎn)模式，翻轉(zhuǎn)效率均比鐵磁高一個(gè)數(shù)量級(jí)，為交錯(cuò)磁體信息存儲(chǔ)單元的低功耗數(shù)據(jù)寫(xiě)入提供了新策略（圖3）。
該研究中，對(duì)于交錯(cuò)磁體的晶體對(duì)稱(chēng)性的調(diào)控超越了簡(jiǎn)單的“量變”積累，而實(shí)現(xiàn)了磁空間群轉(zhuǎn)換的“質(zhì)變”，不僅體現(xiàn)于對(duì)反常霍爾效應(yīng)以及電學(xué)翻轉(zhuǎn)模式的調(diào)控，還將為交錯(cuò)磁體的能帶及其演生的自旋劈裂力矩等研究提供新的視角。
圖3.CrSb/重金屬異質(zhì)結(jié)中兩種不同的電學(xué)翻轉(zhuǎn)模式。（a）磁場(chǎng)輔助的電學(xué)翻轉(zhuǎn)；（b）零磁場(chǎng)電學(xué)翻轉(zhuǎn)；（c）磁場(chǎng)誘導(dǎo)非對(duì)稱(chēng)性的勢(shì)壘；（d）電流產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)性的驅(qū)動(dòng)力
相關(guān)研究成果以“利用晶體對(duì)稱(chēng)性操控銻化鉻中的交錯(cuò)磁體序參量”（Manipulation of the altermagneticorder in CrSbvia crystal symmetry）為題，于2月12日在線(xiàn)發(fā)表于《自然》（Nature）。
材料學(xué)院2020級(jí)博士生周致遠(yuǎn)為論文的第一作者，宋成教授和潘峰教授為論文的通訊作者，其他重要合作者包括材料學(xué)院博士后褚瑞月、2019級(jí)博士生白樺和2020級(jí)博士生韓磊，以及香港科技大學(xué)物理系劉軍偉教授、博士生程星愷和胡夢(mèng)黎。研究得到國(guó)家基金委專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08436-3
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
