“交錯磁體”正受到物理學界的廣泛關注。與傳統磁體截然不同，交錯磁體在原子排布和電子行為上展現出獨特的“交錯”特性——這是一種結合鐵磁體與反鐵磁體優勢的新型磁性材料。近日，中國科學家成功發現新一類交錯磁體，為自旋電子學研究帶來了新機遇。

撰文 | 羅會仟（中國科學院物理研究所）

什么是“交錯磁體”？它與我們通常理解的磁性材料有什么不同？有哪些材料被發現是交錯磁體？它會帶來哪些重要的應用呢？

理解交錯磁性，還要從物質的對稱性開始說起。對稱性和對稱性破缺是現代物理學中最核心的主題，所謂對稱性就是對物質進行某些操作之后它保持不變，而對稱性的破缺就是某些對稱性消失了。比如，材料中的原子排布方式就滿足一定的對稱性，把它們平移一個周期可以完全重合，就是“平移對稱性”；圍繞某個對稱軸旋轉90°或120°可以重合，就是“四重或六重旋轉對稱性”；對某一個二維鏡面反射后重合，就是“空間反演對稱性”。類似的還有時間反演對稱性，情況稍微復雜一些，相當于把物體的波函數時間t改成-t后系統不變，聽起來有點抽象。但是我們結合原子的磁矩（或者說自旋）來理解就很清楚了，假設磁性原子都帶上一個有方向的箭頭，也就是它自身的磁矩，那這個箭頭可以等效認為自身的轉動有“左手螺旋”或“右手螺旋”，因此可以定義時間的正負——比如箭頭朝上為正，朝下為負，所謂時間反演對稱，就是原子箭頭反向之后系統仍然保持不變。

各類不同的對稱操作和材料中的對稱性

雖然看起來對稱性可能有很多很多，我們這個世界的材料幾乎有無數種，但是非常神奇的是，對于微觀世界的原子排布來說，空間對稱性的僅僅只有230種，我們稱之為“空間群”。如果加上各類不同磁矩的排布，也就是時間反演對稱操作與空間群的結合，那就是1651個“磁空間群”。如果磁矩排布與空間不耦合在一起，那就會有183498種“自旋空間群”。

在那么多復雜的磁性材料對稱性里，有2種是最為常見、也是最為簡單的，那就是鐵磁和反鐵磁。對于鐵磁材料而言，因為此時所有磁性原子的箭頭都朝同一個方向，顯然時間反演對稱性是破缺的，但平移對稱性保留；而對于反鐵磁材料而言，磁性原子箭頭是一正一反排列的，翻轉之后變成一反一正，再進行平移之后就可以恢復到原先狀態，所以具有時間反演+平移對稱性，當然也可以是空間反演+平移對稱性。以上前提是原子磁矩處于平行線上，叫作“共線型”鐵磁或反鐵磁，還有更復雜的“非共線型”反鐵磁，我們姑且不探討這么復雜的問題。

在共線型反鐵磁的時間或空間反演+平移對稱性基礎上，還要繼續引入旋轉、鏡像、滑移等其他對稱性，這就是所謂的“交錯磁性”。嗯，這聽起來還是很抽象。我們以一個二維的原子格子為例，就容易理解“交錯”的含義：假設一個2X2的原子晶格頂點都是磁性原子，中心是非磁性原子，相鄰磁性原子的磁矩是反平行排列的，那么它們就必須通過平移+時間反演才能還原，這還是反鐵磁。但是，如果同時考慮中心的非磁性原子，且相鄰的非磁原子不同，那么就需要旋轉90°之后再平移、再時間反演才能恢復原狀。所以，“交錯磁”的一層含義就是在考慮磁性原子排序方式的同時，還要兼顧它們的“背景”——也就是非磁性原子的排布，如果它們是交錯排布的，也會影響材料的整體對稱性。從磁性強度來看，交錯磁體與反鐵磁一樣，原子磁矩是互相抵消的，可以認為在晶格周期上沒有凈磁矩，這與鐵磁性有著很大的不同。

各種磁性的對稱性

“交錯磁性”不僅僅體現在實空間，也就是原子+磁矩的排布空間與鐵磁和反鐵磁存在對稱性的差異，在動量空間，也就是電子的能量-動量分布，也同樣存在“交錯”。簡單來說，鐵磁材料里面會有很強的內部磁場，自旋朝上和朝下的電子將具有不同的能量狀態，那么電子能帶，也就是特定的某個能量-動量分布，會發生一定程度的劈裂，且這種劈裂是單向的，即和電子動量的方向無關，相當于不同自旋狀態的電子實現了“能量分層”。對于反鐵磁體，因為材料內部感受不到磁場，所以自旋朝上和朝下的電子具有相同的能量狀態，它們因為量子組態不同，是允許占據相同的電子能帶的，這叫作“能量簡并”。對于交錯磁體，由于其他對稱性的“加持”，電子能帶不僅會發生劈裂，而且不同自旋朝向的電子在能量-動量空間里會發生“交錯”分布，比如自旋朝下的電子一半是出于低能組態，另一半則屬于高能組態，自旋朝上的電子與之相反。

反鐵磁和交變磁（交錯磁）的對稱性差異

所以，交錯磁體兼顧在實空間反鐵磁的“零凈磁矩”，和動量空間鐵磁的“能帶劈裂”，這也是為何人們也聲稱“交錯磁性”屬于鐵磁和反鐵磁之外的物質“第三磁性”。只是，我們前面提及了，物質的磁性對稱性其實有數十萬種之多，它們并沒有一個明確的排序。

實際材料中的反鐵磁與交錯磁結構對比

實際上，交錯磁性只能算是“非常規磁性”中特殊的一員。早在2007年，吳從軍等人就類比非常規超導體提出了“非常規磁性”的概念，即不僅要考慮自旋的排列，還要同時考慮軌道的有序。“交錯磁性”僅僅是非常規磁性中在旋轉對稱破缺下的一種特殊情形。如我們前面提到的，在自旋和軌道兩個自由度解耦之后，你會發現自旋空間群存在18萬種以上，凝聚態物理的磁性世界可謂豐富多彩。

我們回到實驗問題上，如何判斷一個材料是“交錯磁體”呢？首先從原子磁矩排列方式上，可以綜合磁化率、核磁共振、x射線散射和中子散射等各種手段，確定其屬于類似反鐵磁的排列，也就是磁矩朝上和朝下的原子數量基本相等；其次，從電子的能量-動量分布上，可以觀測到“交錯”的能帶劈裂，相當于把本來某個“擰成一股繩”的能帶，在進入交錯磁性態后，變成了“擰成麻花狀”的兩個交錯能帶，這利用特殊角分辨光電子能譜技術可以直接觀測到；再者，交錯磁體由于特殊對稱性的存在，會誘發一些新的有序態，比如自旋密度波序，就是自旋在空間分布有周期調制；最后，交錯磁體在磁場下具有一系列反常的輸運行為，包括反常霍爾效應、反常能斯特效應、磁光克爾效應、非常規的壓磁效應以及隧穿磁電阻效應等等，這些效應在常規的共線反鐵磁體一般不存在。

正是由于交錯磁體中自旋與電荷之間的強烈相互影響，使得可通過磁、電、光、熱、應力等一系列途徑來調控材料中自旋和電荷狀態，尤其是通過自旋組態改變其磁性，構造非相對論性的守恒自旋流，可以實現新一代的自旋電子學器件，具備高效存儲、讀取且低能耗等諸多優勢。例如磁隨機存儲器（M-RAM）采用鐵磁材料，存儲密度低和操作速度慢；采用反鐵磁材料可以提升效率，但因為信號弱而導致讀取過程非常復雜和操縱困難，而采用交錯磁性材料則可以兼顧二者優勢。

新一類室溫金屬交錯磁體的發現使得人們進一步期待：在超導體中是否也能找到交錯磁性呢？屆時，高效率的磁信息存儲和零能耗的電輸運可以合二為一，全新的電子學器件將徹底改變我們的生活。

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