【研究背景】
随着凝聚态物理学的发展，科学家们对自旋电子学的潜在应用产生了浓厚的兴趣。自旋电子学是一种利用电子的自旋而不是电荷来传输和存储信息的新兴领域。在这个领域中，自旋简并能带的分裂问题一直是一个重要的研究课题。自旋简并能带是指具有相同能量但自旋方向相反的电子态。自旋分裂现象可以通过不同的机制来实现，其中包括泽曼效应、反铁磁序和自旋轨道相互作用等。然而，在传统的磁性材料中，自旋分裂主要是通过泽曼效应和自旋轨道相互作用来实现的，而反铁磁材料通常被认为自旋简并的。因此，当科学家们开始探索在某些反铁磁材料中发现的新型自旋分裂时，引起了广泛的关注。这些新型自旋分裂现象预示着在不同的磁性材料中可能存在着新的自旋控制机制，从而为自旋电子学领域带来了新的发展机遇。在研究这些新型自旋分裂现象时，科学家们面临着一些挑战。首先，传统的理论框架往往无法很好地解释这些现象，因为它们通常假设磁性材料中的自旋分裂是由于泽曼效应或自旋轨道相互作用引起的。其次，直接的实验证据也相对稀缺，因为传统的实验技术往往无法直接观察到这种微弱的自旋分裂信号。
【成果介绍】
为了解决这些问题，南方科技大学刘畅教授团队、刘奇航教授团队联合上海微系统与信息技术研究所乔山教授等在Nature顶刊发题为“Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet”的研究论文。他们联合利用了先进的理论模拟和高灵敏度的实验技术。他们通过密度泛函理论（DFT）等计算方法预测了新型自旋分裂的可能机制，并利用自旋解析和角分辨光电发射光谱（SARPES）等先进实验技术直接观测到了这些现象。通过这些努力，他们得以确定了一些反铁磁材料中存在的新型自旋控制机制，并展示了这些材料在自旋电子学领域中的潜在应用价值。总的来说，随着对新型自旋分裂现象的深入研究，科学家们对自旋电子学的理解将会不断深化，同时也将推动自旋电子学技术的发展，为下一代电子器件的设计和应用提供新的思路和可能性。
【图文解读】
为了研究MnTe2中的自旋分裂效应，研究人员进行了一系列的实验和理论计算。他们首先通过DFT计算确定了MnTe2的晶体结构和磁性特性，并发现非共面的反铁磁序不会破坏空间对称性，这表明自旋分裂主要受到磁性序的影响，而不是自旋轨道相互作用。在实验方面，作者利用ARPES技术观察了MnTe2中的电子能带结构，发现在特定高对称平面上存在明显的自旋分裂现象。通过SARPES实验，他们测量了不同平面上的自旋极化分量，发现了一种独特的格子状自旋纹理，其在高对称平面的每一侧呈现出反对称的自旋极化分布。这些实验结果与理论计算吻合，进一步证明了反铁磁序引起的自旋分裂效应在MnTe2中的存在，并为深入理解这一现象提供了重要结果（见图1）。
图1. 自旋分裂效应的不同原型和MnTe2的DFT计算结果。
为了研究MnTe2中的自旋分裂效应，研究者利用SARPES系统对其自旋极化带进行了系统性测量。图2中展示了通过自旋综合的ARPES测量，确定了在kz = -0.2π/c时的自旋态密度的形状（图b）。然后，通过DFT计算，得到了相应的Sx和Sy分辨的CEC图（图c、d）。这些图显示了在O–A和O–C方向附近高度自旋极化的电子态。接着，通过SARPES测量得到了自旋极化带的展示，包括自旋综合和自旋分辨的能谱图、EDCs和自旋极化曲线。数据表明，Sx和Sy的自旋极化在O–A和O–C线附近是反对称的，与理论计算结果一致。进一步的分析显示，在MnTe2的反铁磁基态中存在着与动量相关的反对称自旋分裂，呈现出格子状交替自旋纹理。这些结果揭示了MnTe2中非常规的自旋分裂机制，为了解决自旋电子结构问题提供了重要结果。
图2.在kz=-0.2π/C时，平面内自旋的格子状织构。
为了区分反铁磁相中观察到的自旋纹理与表面态中的自旋轨道耦合（SOC）引起的纹理，作者进行了一系列关于MnTe2的SARPES实验。图3展示了在不同入射光子能量（对应不同的kz值）下获取的SARPES数据，以观察自旋在不同外平面动量（kz值）处的符号变化。实验结果显示，Sx自旋在跨越高对称面kz = 0和ky = 0时发生了符号反转，这与DFT计算结果一致。具体来说，在L点，随着入射光子能量从21.2 eV到28 eV和从66 eV到82 eV，Sx自旋的符号发生反转；在R点，也观察到了类似的现象。另外，在ky = 0的平面高对称面上，Sx自旋在L和R点之间同样发生了符号反转。作者进一步在hν = 28 eV下采用了不同的入射光束偏振方式进行了测量，结果表明无论是线性水平极化还是线性垂直极化，Sx自旋的符号都保持一致。这些结果强化了观察到的反铁磁相中的自旋极化纹理的真实性，证明了其不同于表面SOC引起的效应（见图3）。
图3. 不同kz值处Sx极化的符号反转。
为了验证MnTe2中自旋分裂的磁性起源，研究者进行了关键的温度演变实验，以及对自旋极化的温度依赖性的深入分析。首先，通过系统的SARPES测量，他们在MnTe2的反铁磁相（T=30 K）中观察到了一种新型的动量依赖自旋分裂。这种自旋分裂表现为反铁磁序引起的独特的plaid-like自旋纹理，展现了在非共面反铁磁体中独特的自旋动力学。接下来，为了进一步证实观察到的自旋分裂现象与表面态引起的自旋纹理有所不同，研究者在四个不同的入射光子能量下进行了SARPES实验，对应于四个不同的kz值。结果显示在相邻的外平面动量（kz值）处，自旋的符号发生了反转，这在由表面反演破坏引起的自旋分裂中是不被期望的。这一发现巩固了观察到的plaid-like自旋纹理是由反铁磁序引起的。为了进一步证明观察到的自旋分裂是由反铁磁序引起的，研究者进行了温度演变实验。通过测量自旋极化在不同温度下的变化，他们发现自旋分裂的特征在超过Néel温度（TN = 87 K）的高温顺磁相中几乎消失。这表明自旋分裂是与反铁磁序紧密相关的，而非表面引起的效应。最后，研究者对观察到的plaid-like自旋纹理进行了深入讨论。与经典自旋纹理不同，这种自旋纹理的独特之处在于其在kz = 0处的符号反转，这与由SOC引起的自旋分裂有所不同。作者通过详细的对称性分析和实验结果，强调了这种二次自旋纹理的存在，并揭示了其与反铁磁序的深刻联系。
图4. 带结构和Sx极化的温度依赖性。
【结论和展望】
本研究揭示了在非共面反铁磁体MnTe2中由磁性引起的新型自旋分裂效应。这一发现不仅为我们深入理解非共面反铁磁材料中的自旋相关现象提供了重要结果，还为量子材料中的自旋分裂现象提供了新的理论和实验基础。通过系统研究温度依赖性，科学家们验证了自旋分裂的磁性起源。这项研究对于理解自旋相关的量子现象，如磁性自旋霍尔效应和自旋分裂器效应，以及在自旋电子学中的潜在应用，具有重要的科学启示作用。
【文献信息】
Zhu, YP., Chen, X., Liu, XR. et al. Observation of plaid-like spin splitting in a noncoplanar antiferromagnet. Nature 626, 523–528 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07023-w
