南方科技大學，重磅Nature！

一、【導讀】

凝聚態系統中電子自旋的空間、動量和能量分離指導了產生和操縱自旋極化電流的新器件的開發。最近對磁性材料中一組以前被忽視的對稱操作的關注，導致了一種新型自旋分裂的出現，使選定的反鐵磁體（AFM）上的能帶出現巨大的和與動量相關的自旋極化。在某些反鐵磁體中，即使在沒有自旋-軌道耦合（SOC）的情況下，也預測了一種由長程磁序引起的新型自旋分裂。這種方案允許選擇輕元素材料來產生，例如，自旋電流和隧穿磁阻效應，大大擴大了AFM自旋電子學的范圍。這些新磁體中允許的對稱操作不是經過充分研究的（磁性）空間群，而是由稱為自旋空間群的增強對稱群完全描述的，其中晶格旋轉和自旋旋轉的解耦允許某些被常規磁空間群排除的對稱操作，從而導致奇異的物理現象。同時，AFM誘導的自旋分裂的外觀是獨一無二的，因為它的分裂規模取決于電子的動量，并且可能比已知最大的拉什巴效應大得多。盡管理論預測不斷增長，但仍然缺乏對這種自旋分裂的直接光譜證據。

二、【成果掠影】

在此，南方科技大學劉暢副教授，劉奇航教授聯合中國科學院上海微系統與信息技術研究所喬山研究員等人（共同通訊作者）為這種材料的存在提供了可靠的光譜和計算證據，在非共面反鐵磁體中二碲化錳（MnTe₂），發現自旋的面內分量相對于布里淵區的高對稱平面是反對稱的，在反鐵磁（AFM）基態中包含格子狀自旋織構。這種非常規的自旋模式，進一步發現在高溫順磁態下減弱，其起源于固有的AFM順序，而不是自旋-軌道耦合（SOC）。本文的發現證明了一種由時間反轉斷裂引起的新型二次自旋織構，使AFM自旋電子學奠定了堅實的基礎，并為研究相關材料中的奇異量子現象鋪平了道路。

相關研究成果以“Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.本文使用自旋分辨和角度分辨光發射光譜（SARPES）測量和理論分析，明確地證明了這種AFM誘導的自旋分裂效應在非共面反鐵磁體MnTe₂上的存在。憑借最先進的SARPES設備，觀察到體帶上自旋的面內分量在水平和垂直高對稱平面上都是反對稱的。因此，自旋紋理在三維布里淵區形成格子圖案，與計算一致。

2.與溫度相關的SARPES測量進一步表明，觀察到的自旋極化與AFM到順磁性躍遷有關。本文的工作揭示了由磁交換引起的二次自旋分裂效應，在自旋結構和潛在機制方面與著名的Zeeman，Rashba和Dresselhaus效應不同。

四、【數據概覽】

圖1 MnTe₂的自旋分裂效應的不同原型和DFT計算結果? 2024 Springer Nature

圖2 在k_z=?0.2π/c處的平面內旋轉的格子狀紋理? 2024 Springer Nature

圖3 不同k_z值下S_x極化的反轉? 2024 Springer Nature

圖4 能帶結構和S_x極化的溫度依賴性? 2024 Springer Nature

五、【成果啟示】

綜上所述，本文的系統SARPES測量證明了在非共面反鐵磁體MnTe₂中存在一種由固有AFM階引起的新型動量依賴自旋分裂。其中，非共面和非共線反鐵磁體中的這種自旋分裂與共線交替磁體中具有相同的起源，局部AFM場以相同的方式耦合電子自旋及其運動。同時，MnTe₂中與動量相關的自旋分裂帶能有效地產生自旋極化電流，導致磁自旋霍爾效應、自旋分裂效應、隧穿磁電阻等。此外，這種自旋分裂效應也可能存在于各種量子材料，如莫特絕緣體，非常規超導體的本征化合物和三維量子霍爾材料，提供一個路徑研究這些奇異的物質和自旋電子學潛在的應用。

文獻鏈接：“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編譯供稿。