近日，重慶大學許東輝教授課題組在“交錯磁性”這一前沿研究領(lǐng)域取得新的突破性進展。該團隊提出了“自旋-軌道交錯磁性”的框架，旨在不依賴自旋軌道耦合情況下，實現(xiàn)對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)表于國際頂級物理學期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters) 【Phys. Rev. Lett. 135, 176705 (2025)】。這項工作是該課題組繼提出利用拓撲絕緣體異質(zhì)結(jié)中的“交錯半量子化霍爾效應(yīng)”作為探測交錯磁體動量空間自旋極化“探針”的方案后【Phys. Rev. Lett. 135, 096602 (2025)】，又一重要理論進展。

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

圖1：波超導體與常規(guī)磁體、波超導體與波交錯磁體類比示意圖。

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

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

然而，在電子的另一個基本自由度——軌道——與自旋之間建立聯(lián)系，通常依賴于相對論性的自旋-軌道耦合效應(yīng)。如何在非相對論框架下，實現(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)域一個懸而未決的核心問題。

圖2：自旋-軌道交替磁體晶格示意圖，及其動量空間波、波自旋-軌道紋理。

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

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

研究團隊還提出，可通過測量自旋電導與自旋分辨的軌道極化等物理量（圖3），來區(qū)分不同類型的自旋-軌道交錯磁體。此外，理論還預(yù)測，在特定條件下，該體系可誘導出微弱的凈磁化（弱鐵磁性），并伴生反?；魻栃?yīng)，為實驗觀測提供了便捷而有力的“指紋”信號。

這項工作豐富了交錯磁性的物理內(nèi)涵和分類，為探索自旋與軌道自由度鎖定的物理現(xiàn)象開辟了一個新的、基于非相對論機制的廣闊平臺。

該工作得到了國家自然科學基金、重慶自然科學基金和中央高?；究蒲械软椖康馁Y助。

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

來源：物理學院