重庆大学许东辉教授课题组在交错磁性研究中再取重要进展

近日，重庆大学许东辉教授课题组在“交错磁性”这一前沿研究领域取得新的突破性进展。该团队提出了“自旋-轨道交错磁性”的框架，旨在不依赖自旋轨道耦合情况下，实现对电子自旋与轨道自由度的协同调控。相关研究成果以“Spin-Orbital Altermagnetism”为题，发表于国际顶级物理学期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters) 【Phys. Rev. Lett. 135, 176705 (2025)】。这项工作是该课题组继提出利用拓扑绝缘体异质结中的“交错半量子化霍尔效应”作为探测交错磁体动量空间自旋极化“探针”的方案后【Phys. Rev. Lett. 135, 096602 (2025)】，又一重要理论进展。

此项研究由重庆大学、浙江大学、合肥国家实验室和美国田纳西大学研究者共同完成，重庆大学为第一作者和通讯作者单位。重庆大学物理学院博士生王梓名和美国田纳西大学Zhang Yang博士为论文共同第一作者。通讯作者包括重庆大学许东辉教授、浙江大学胡仑辉研究员、合肥国家实验室张松波研究员和美国田纳西大学Zhang Yang博士。论文作者还包括美国田纳西大学Elbio Dagotto教授和宁波大学孙金华副教授。 

图1：波超导体与常规磁体、波超导体与波交错磁体类比示意图。

图片来自：L. Šmejkal, et al, Phys. Rev. X 12, 040501 (2022).

长期以来，物理学对磁性物质的认知主要建立在铁磁（所有磁矩同向排列，产生宏观磁性）和反铁磁（相邻磁矩反向排列，宏观磁性抵消）两大框架之上。近年来发现的交错磁性（Altermagnetism）作为第三种基本磁序，彻底改变了这一传统版图。该类材料兼具两者的优点：既像反铁磁体一样净磁矩为零，对外界杂散磁场不敏感，又像铁磁体可在动量空间中产生独特的非相对论性电子自旋劈裂。这种动量空间中交替变化的自旋极化（如d波、g波对称性），使其成为非常规超导体的“磁性镜像”，揭示了凝聚态物理中深刻的对称性关联（图1）。

然而，在电子的另一个基本自由度——轨道——与自旋之间建立联系，通常依赖于相对论性的自旋-轨道耦合效应。如何在非相对论框架下，实现自旋与轨道自由度的交织，构筑全新的量子纹理，是该领域一个悬而未决的核心问题。

图2：自旋-轨道交替磁体晶格示意图，及其动量空间波、波自旋-轨道纹理。

针对这一核心问题，研究团队构建了“自旋-轨道交错磁性”理论体系。该理论的核心是在多轨道系统中引入一个直接耦合自旋与轨道的磁有序，从而在不依赖相对论效应的前提下，产生具有自旋-轨道纹理的新型交错磁体（图2）。研究揭示了实现该物态的两种不同的物理途径：内禀机制——源于电子相互作用导致自发宇称-时间反演联合对称性破缺的自旋-轨道磁序；外禀机制——与Jahn-Teller畸变等晶格结构相变所导致的平移对称性破缺相关。

图3：波自旋-轨道交错磁体中自旋-轨道纹理的极化率和自旋分辨轨道极化的信号。

研究团队还提出，可通过测量自旋电导与自旋分辨的轨道极化等物理量（图3），来区分不同类型的自旋-轨道交错磁体。此外，理论还预测，在特定条件下，该体系可诱导出微弱的净磁化（弱铁磁性），并伴生反常霍尔效应，为实验观测提供了便捷而有力的“指纹”信号。

这项工作丰富了交错磁性的物理内涵和分类，为探索自旋与轨道自由度锁定的物理现象开辟了一个新的、基于非相对论机制的广阔平台。

该工作得到了国家自然科学基金、重庆自然科学基金和中央高校基本科研等项目的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cjzw-j4v7 

来源：物理学院