材料中电子的能量被限制在特定的水平。这些能级可以分成与电子固有角动量（即“自旋”）的可能配置相对应的带。这种自旋分裂是铁磁性存在的基础：铁磁性的类型。但它也被预测会出现在显示出一种新发现的磁性类型（称为交变磁性）的材料中，并且在某些技术应用中，此类系统可能比铁磁体更有用。

南方科技大学刘畅教授、刘奇航教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所乔山研究员合作展示了一种由时间反转断裂引起的新型二次自旋织构，为反铁磁（AFM）自旋电子学奠定了坚实的基础，并为研究相关材料中的奇异量子现象铺平了道路。

值得一提的是，本文第一作者朱煜鹏，2018年1月份，以第一作者身份在AIP Advances上发表一篇论文。自2019年加入刘畅老师课题组攻博以来，一直厚积薄发，5年磨一剑，今日以第一作者身份发表了最新《Nature》。

【背景】

如果能级对应于两个或多个量子态，则称能级是简并的。1930年，荷兰物理学家Hans Kramers发现，一种特殊类型的简并性（现在称为Kramers简并性）存在于表现出时间反转对称性的非磁性系统中（无论时间向前还是向后运行，这些系统都遵循相同的物理定律。随后发现Kramers简并性存在于所有非磁性系统中。

但是磁系统呢？Kramers简并性被认为延伸到反铁磁系统，其名称指的是它们与铁磁性的关系。铁磁材料中的自旋都指向相同的方向，但在反铁磁体中，相邻的自旋方向相反，因此材料的净磁化强度为零。然而，反铁磁体的Kramers简并性从未得到严格验证。

【MnTe2中的自旋极化与固定kz下的自旋极化】

从历史上看，分裂自旋简并能带的机制（图1a）包括铁磁体中的塞曼相互作用，其中具有不同自旋的电子在能量上均等地分离，无论其动量如何（图1b），以及Rashba-Dresselhaus相互作用，其中，在缺乏反演对称性的非磁性晶体中，自旋以动量相关的方式分裂（图1d）。最近，即使在不存在SOC的情况下，在某些反铁磁体中也预测了由长程磁序引起的新型自旋分裂（图1c）。这样的提议使得能够选择轻元素材料来产生自旋电流和隧道磁阻效应等，从而大大拓宽了AFM自旋电子学的范围。

图1.MnTe2不同原型的自旋分裂效应和DFT计算结果

MnTe是一种“共线”交替磁体，这意味着锰原子的自旋指向相反的方向，但沿同一组轴取向（Figure1a）。然而，交流磁体也可以是非共线的。在这种情况下，由于相互作用或晶体结构的几何形状等因素，它们的自旋并不平行，但它们仍然显示出表明反铁磁性的零净磁化强度。

Figure1.交流磁铁的配置

本文使用称为自旋解析ARPES的方法研究了非共线的二碲化锰(MnTe2)。作者表明，该系统中的自旋分裂导致锰自旋呈现格子状图案。这种非共线交变磁体可以分解为三个共线交变磁体，每个磁体代表锰自旋的空间分量（Figure1b），并且每个磁体赋予材料不同的自旋分裂特性。

图2.kz=−0.2π/c时平面内自旋的格子状纹理

【沿kz的反对称自旋分量】

在确定MnTe2 AFM相中自旋极化带的存在之后，一个关键的课题是通过实验区分观察到的自旋织构与表面态SOC引起的自旋织构。在相反的面外动量（kz值）下自旋的特征符号反转将查明所观察到的偏振的AFM起源，因为在源自表面反转破坏的任何自旋分裂效应中预计不会出现自旋的kz色散行为。在图3中，作者展示了这种与kz相关的符号变化。对于大多数结合能，两条曲线都给出Sx<0。因此，作者认为测量的偏振反映了能带的固有自旋。kz相关的自旋极化如图3d所示。这种一致性巩固了沿着面外动量方向也观察到格子状旋转纹理。

图3.不同kz值时Sx偏振的符号反转

【温度依赖性】

为了验证这种自旋分裂的磁性起源，另一个关键证据是自旋极化的温度演化。预计温度变化不会影响相对论SOC的强度，相对论SOC的强度主要取决于原子质量。相比之下，对于AFM诱导的自旋分裂，当系统演化到高于尼尔温度TN(87 K)的顺磁态时，自旋极化预计会消失。图4中的数据支持后一种情况。图4a,b显示了30 K和110 K处沿Cut1的自旋积分能带色散，以及30 K和150 K处沿Cut3的自旋积分能带色散。在图4c、d中，作者显示了沿切口1和3的与温度相关的Sx极化曲线。很明显，Sx极化的特征在高温下几乎消失，与30 K时的曲线形成鲜明对比，此时符号-对于不同的结合能/面内动量，可以看到改变的Sx分量。总的来说，这些数据可能表明在MnTe2中观察到的自旋分裂效应是由AFM阶数引起的。

图4.能带结构和Sx极化的温度依赖性

【二次旋转纹理】

实验结果——kz=0期间自旋的符号反转（图3）和TN期间极化的减少（图4）——作为证据证明了AFM诱导的MnTe2中的自旋分裂。经分析：二次自旋纹理自然会导致kz=0范围内的自旋符号反转。

【总结】

本文的系统SARPES测量证明，非共面反铁磁体MnTe2中存在由固有AFM序引起的新型动量相关自旋分裂。因为局部AFM场以相同的方式耦合电子自旋及其运动，非共面和非共线反铁磁体中的这种类型的自旋分裂与共线交变磁体中的自旋分裂具有相同的起源。MnTe2中动量相关的自旋分裂能带可以有效地产生自旋极化电流，从而产生磁自旋霍尔效应、自旋分裂效应、隧道磁阻等。此外，这种自旋分裂效应也可能存在于各种量子材料中，如莫特绝缘体、非常规超导体的母体化合物和三维量子霍尔材料，为研究这些奇异的物质相和自旋电子学中的潜在应用提供了一条途径。

来源：高分子科学前沿

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