【研究背景】
隨著凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們對(duì)自旋電子學(xué)的潛在應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚的興趣。自旋電子學(xué)是一種利用電子的自旋而不是電荷來(lái)傳輸和存儲(chǔ)信息的新興領(lǐng)域。在這個(gè)領(lǐng)域中，自旋簡(jiǎn)并能帶的分裂問(wèn)題一直是一個(gè)重要的研究課題。自旋簡(jiǎn)并能帶是指具有相同能量但自旋方向相反的電子態(tài)。自旋分裂現(xiàn)象可以通過(guò)不同的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中包括澤曼效應(yīng)、反鐵磁序和自旋軌道相互作用等。然而，在傳統(tǒng)的磁性材料中，自旋分裂主要是通過(guò)澤曼效應(yīng)和自旋軌道相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而反鐵磁材料通常被認(rèn)為自旋簡(jiǎn)并的。因此，當(dāng)科學(xué)家們開(kāi)始探索在某些反鐵磁材料中發(fā)現(xiàn)的新型自旋分裂時(shí)，引起了廣泛的關(guān)注。這些新型自旋分裂現(xiàn)象預(yù)示著在不同的磁性材料中可能存在著新的自旋控制機(jī)制，從而為自旋電子學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。在研究這些新型自旋分裂現(xiàn)象時(shí)，科學(xué)家們面臨著一些挑戰(zhàn)。首先，傳統(tǒng)的理論框架往往無(wú)法很好地解釋這些現(xiàn)象，因?yàn)樗鼈兺ǔ＜僭O(shè)磁性材料中的自旋分裂是由于澤曼效應(yīng)或自旋軌道相互作用引起的。其次，直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)也相對(duì)稀缺，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)往往無(wú)法直接觀察到這種微弱的自旋分裂信號(hào)。 【成果介紹】
為了解決這些問(wèn)題，南方科技大學(xué)劉暢教授團(tuán)隊(duì)、劉奇航教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所喬山教授等在Nature頂刊發(fā)題為“Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet”的研究論文。他們聯(lián)合利用了先進(jìn)的理論模擬和高靈敏度的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。他們通過(guò)密度泛函理論（DFT）等計(jì)算方法預(yù)測(cè)了新型自旋分裂的可能機(jī)制，并利用自旋解析和角分辨光電發(fā)射光譜（SARPES）等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)直接觀測(cè)到了這些現(xiàn)象。通過(guò)這些努力，他們得以確定了一些反鐵磁材料中存在的新型自旋控制機(jī)制，并展示了這些材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用價(jià)值?？偟膩?lái)說(shuō)，隨著對(duì)新型自旋分裂現(xiàn)象的深入研究，科學(xué)家們對(duì)自旋電子學(xué)的理解將會(huì)不斷深化，同時(shí)也將推動(dòng)自旋電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為下一代電子器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供新的思路和可能性。。
【圖文解讀】
為了研究MnTe 2 中的自旋分裂效應(yīng)，研究人員進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算。他們首先通過(guò)DFT計(jì)算確定了MnTe 2 的晶體結(jié)構(gòu)和磁性特性，并發(fā)現(xiàn)非共面的反鐵磁序不會(huì)破壞空間對(duì)稱(chēng)性，這表明自旋分裂主要受到磁性序的影響，而不是自旋軌道相互作用。在實(shí)驗(yàn)方面，作者利用ARPES技術(shù)觀察了MnTe 2 中的電子能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)在特定高對(duì)稱(chēng)平面上存在明顯的自旋分裂現(xiàn)象。通過(guò)SARPES實(shí)驗(yàn)，他們測(cè)量了不同平面上的自旋極化分量，發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的格子狀自旋紋理，其在高對(duì)稱(chēng)平面的每一側(cè)呈現(xiàn)出反對(duì)稱(chēng)的自旋極化分布。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算吻合，進(jìn)一步證明了反鐵磁序引起的自旋分裂效應(yīng)在MnTe 2 中的存在，并為深入理解這一現(xiàn)象提供了重要結(jié)果（見(jiàn)圖1）。
圖1. 自旋分裂效應(yīng)的不同原型和MnTe 2 的DFT計(jì)算結(jié)果。
為了研究MnTe 2 中的自旋分裂效應(yīng)，研究者利用SARPES系統(tǒng)對(duì)其自旋極化帶進(jìn)行了系統(tǒng)性測(cè)量。圖2中展示了通過(guò)自旋綜合的ARPES測(cè)量，確定了在kz = -0.2π/c時(shí)的自旋態(tài)密度的形狀（圖b）。然后，通過(guò)DFT計(jì)算，得到了相應(yīng)的Sx和Sy分辨的CEC圖（圖c、d）。這些圖顯示了在O–A和O–C方向附近高度自旋極化的電子態(tài)。接著，通過(guò)SARPES測(cè)量得到了自旋極化帶的展示，包括自旋綜合和自旋分辨的能譜圖、EDCs和自旋極化曲線(xiàn)。數(shù)據(jù)表明，Sx和Sy的自旋極化在O–A和O–C線(xiàn)附近是反對(duì)稱(chēng)的，與理論計(jì)算結(jié)果一致。進(jìn)一步的分析顯示，在MnTe 2 的反鐵磁基態(tài)中存在著與動(dòng)量相關(guān)的反對(duì)稱(chēng)自旋分裂，呈現(xiàn)出格子狀交替自旋紋理。這些結(jié)果揭示了MnTe 2 中非常規(guī)的自旋分裂機(jī)制，為了解決自旋電子結(jié)構(gòu)問(wèn)題提供了重要結(jié)果。。
圖2. 在kz=-0.2π/C時(shí)，平面內(nèi)自旋的格子狀織構(gòu)。
為了區(qū)分反鐵磁相中觀察到的自旋紋理與表面態(tài)中的自旋軌道耦合（SOC）引起的紋理，作者進(jìn)行了一系列關(guān)于MnTe 2 的SARPES實(shí)驗(yàn)。圖3展示了在不同入射光子能量（對(duì)應(yīng)不同的kz值）下獲取的SARPES數(shù)據(jù)，以觀察自旋在不同外平面動(dòng)量（kz值）處的符號(hào)變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Sx自旋在跨越高對(duì)稱(chēng)面kz = 0和ky = 0時(shí)發(fā)生了符號(hào)反轉(zhuǎn)，這與DFT計(jì)算結(jié)果一致。具體來(lái)說(shuō)，在L點(diǎn)，隨著入射光子能量從21.2 eV到28 eV和從66 eV到82 eV，Sx自旋的符號(hào)發(fā)生反轉(zhuǎn)；在R點(diǎn)，也觀察到了類(lèi)似的現(xiàn)象。另外，在ky = 0的平面高對(duì)稱(chēng)面上，Sx自旋在L和R點(diǎn)之間同樣發(fā)生了符號(hào)反轉(zhuǎn)。作者進(jìn)一步在hν = 28 eV下采用了不同的入射光束偏振方式進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明無(wú)論是線(xiàn)性水平極化還是線(xiàn)性垂直極化，S x 自旋的符號(hào)都保持一致。這些結(jié)果強(qiáng)化了觀察到的反鐵磁相中的自旋極化紋理的真實(shí)性，證明了其不同于表面SOC引起的效應(yīng)（見(jiàn)圖3）。
圖3. 不同kz值處Sx極化的符號(hào)反轉(zhuǎn)。
為了驗(yàn)證MnTe 2 中自旋分裂的磁性起源，研究者進(jìn)行了關(guān)鍵的溫度演變實(shí)驗(yàn)，以及對(duì)自旋極化的溫度依賴(lài)性的深入分析。首先，通過(guò)系統(tǒng)的SARPES測(cè)量，他們?cè)贛nTe 2 的反鐵磁相（T=30 K）中觀察到了一種新型的動(dòng)量依賴(lài)自旋分裂。這種自旋分裂表現(xiàn)為反鐵磁序引起的獨(dú)特的plaid-like自旋紋理，展現(xiàn)了在非共面反鐵磁體中獨(dú)特的自旋動(dòng)力學(xué)。接下來(lái)，為了進(jìn)一步證實(shí)觀察到的自旋分裂現(xiàn)象與表面態(tài)引起的自旋紋理有所不同，研究者在四個(gè)不同的入射光子能量下進(jìn)行了SARPES實(shí)驗(yàn)，對(duì)應(yīng)于四個(gè)不同的kz值。結(jié)果顯示在相鄰的外平面動(dòng)量（kz值）處，自旋的符號(hào)發(fā)生了反轉(zhuǎn)，這在由表面反演破壞引起的自旋分裂中是不被期望的。這一發(fā)現(xiàn)鞏固了觀察到的plaid-like自旋紋理是由反鐵磁序引起的。為了進(jìn)一步證明觀察到的自旋分裂是由反鐵磁序引起的，研究者進(jìn)行了溫度演變實(shí)驗(yàn)。通過(guò)測(cè)量自旋極化在不同溫度下的變化，他們發(fā)現(xiàn)自旋分裂的特征在超過(guò)Néel溫度（TN = 87 K）的高溫順磁相中幾乎消失。這表明自旋分裂是與反鐵磁序緊密相關(guān)的，而非表面引起的效應(yīng)。最后，研究者對(duì)觀察到的plaid-like自旋紋理進(jìn)行了深入討論。與經(jīng)典自旋紋理不同，這種自旋紋理的獨(dú)特之處在于其在kz = 0處的符號(hào)反轉(zhuǎn)，這與由SOC引起的自旋分裂有所不同。作者通過(guò)詳細(xì)的對(duì)稱(chēng)性分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，強(qiáng)調(diào)了這種二次自旋紋理的存在，并揭示了其與反鐵磁序的深刻聯(lián)系。
圖4. 帶結(jié)構(gòu)和Sx極化的溫度依賴(lài)性。
【結(jié)論和展望】
本研究揭示了在非共面反鐵磁體MnTe 2 中由磁性引起的新型自旋分裂效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)不僅為我們深入理解非共面反鐵磁材料中的自旋相關(guān)現(xiàn)象提供了重要結(jié)果，還為量子材料中的自旋分裂現(xiàn)象提供了新的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。通過(guò)系統(tǒng)研究溫度依賴(lài)性，科學(xué)家們驗(yàn)證了自旋分裂的磁性起源。這項(xiàng)研究對(duì)于理解自旋相關(guān)的量子現(xiàn)象，如磁性自旋霍爾效應(yīng)和自旋分裂器效應(yīng)，以及在自旋電子學(xué)中的潛在應(yīng)用，具有重要的科學(xué)啟示作用。 【文獻(xiàn)信息】
Zhu, YP., Chen, X., Liu, XR. et al. Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet. Nature 626, 523–528 (2024).
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