南京大学物理学院陈伟教授、邢定钰院士课题组揭示交错磁体本征自旋动力学

近日，南京大学物理学院陈伟教授和邢定钰院士课题组在交错磁体自旋相关输运研究中取得重要进展，揭示了交错磁体中的本征自旋动力学行为，并据此提出了交错磁劈裂强度这一关键物理参数的定量测量方案，以及首个交错磁自旋晶体管原型器件。

交错磁体近年来在凝聚态物理领域引起了广泛关注。其典型特征是在倒空间中呈现各向异性且共线的自旋能带劈裂，同时体系整体不表现出宏观磁性。不同于由自旋–轨道耦合机制引起的自旋能带劈裂，交错磁能带劈裂源于晶格势，其强度可高出一个数量级，从而在自旋电子学等领域展现出重要的应用潜力。目前，第一性原理计算已预言了数以百计的交错磁体候选材料，角分辨光电子谱与STM谱学实验也取得了初步进展。在实验表征方面，课题组前期系统研究了交错磁体的准粒子干涉[Phys. Rev. B 111, 035132 (2025)]和量子振荡特性[Phys. Rev. B 111, 125119 (2025)]，揭示了其若干指纹信号，为相关磁输运及STM谱学实验提供了理论方案。然而，要推动交错磁体走向器件应用，仍需进一步揭示其本征自旋动力学行为及其相关量子输运特性。针对该问题，课题组深入研究了d波交错磁体中各向异性自旋劈裂所诱导的本征自旋进动行为及其对应的独特输运信号，并在此基础上进一步提出了一种基于外禀交错磁体的自旋晶体管方案。

图1. (a) 多端输运器件示意图。 (b) 交错磁体各向异性自旋进动示意图。(c) 点注入，(d) 线注入情况下，非平衡巡游电子自旋y分量的空间分布。

物理上，d波交错磁体的各向异性自旋劈裂可以视作动量依赖的塞曼效应。当自由电子的自旋方向垂直于等效塞曼场方向，电子在传播过程中会发生强各向异性自旋进动，其进动方向和速度与等效塞曼场的方向、大小一一对应 [参见图1(b)]。这种实空间中的自旋进动特征可视为交错磁体动量空间自旋劈裂在对偶空间中的直接体现。当自旋沿x方向极化的电子局域注入到交错磁体中，其自旋进动将导致独特的空间自旋分布 [参见图1(c)]。由于自旋进动方向关于x轴反对称，自旋y分量的空间分布也呈反对称分布。尤其重要的是，Sy=0标记出来的零点在|y|<<|x|时呈现出周期分布，其周期可由交错磁自旋劈裂强度解析给出。在线注入情况下，自旋y分量空间分布周期在|y|<<|x|时与点注入情况保持一致 [参见图1(d)]。

图2. (a) 从电极 1 到上电极（蓝色虚线）与下电极（蓝色实线）的透射率，以及霍尔电压（红色实线）随x变化结果。(b) 不同劈裂强度下，霍尔电压随x变化的瀑布图，其零点由绿色点标出，灰线是解析预测的零点位置。(c),(d) 包含退相干效应的计算结果。

为了探测上述自旋动力学以及自旋空间分布，课题组设计了多端输运器件[参见图1(a)]并计算了其非局域输运性质。其中电极1用于注入自旋沿x方向极化电子，横向电极自旋均沿y方向极化，用于局域磁化探测。基于这一器件结构，课题组进行了基于格点模型的量子输运计算。通过与图1 (d) 中上下边缘处的自旋分布对比可以看到，透射率以及由此导致的霍尔电压振荡忠实地反映了本征交错磁自旋进动 [参见图2(a)]。进一步计算给出了不同自旋劈裂强度下霍尔电压随x方向位置的变化，发现其振荡图样零点位置(绿点)与解析表达式(灰线)高度一致[参见图2(b)]，从而为交错磁劈裂强度这一关键参数的定量测量提供了输运方案。为了验证该结果的鲁棒性，课题组进一步考虑了退相干效应。计算结果显示，即使在较强的退相干效应下，主要物理结论依旧成立 [参见图2(c,d)]。

在上述器件结构的基础上，课题组设计了一种基于外禀交错磁体的自旋场效应晶体管。外禀交错磁体的自旋劈裂可由外加电场调控，随着自旋劈裂强度的增大，空间自旋振荡周期变小。于是，固定位置的横向电压受到调制，可实现自旋进动导致的开关效应 [参见图3]。

图3. 透射率以及霍尔电压随自旋劈裂强度的变化。

相关研究成果以“Altermagnetic Spin Precession and Spin Transistor”为题发表于《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett. 136, 106301 (2026)]。南京大学物理学院为该工作第一完成单位，课题组博士生刘力硕为第一作者，陈伟教授为通讯作者，邢定钰院士和万贤纲教授给予了指导和讨论，其他合作者包括博士生邵锴（已毕业，现在云南大学工作）和李海栋。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费、人工微结构科学与技术协同创新中心与江苏省物理科学研究中心的支持，在此表示感谢。