重磅物理新发现！中国团队在PRL发表表面交变磁性，自旋电子开辟全新研究方向

你有没有想过，有些材料内部明明没有磁性，可在它的表面，却能凭空出现特殊的自旋特性？就在最近，湘潭大学科研团队在物理学顶刊《物理评论快报》PRL发表重磅原创成果，全球率先在PRL正式发表“表面交变磁性”这一物理概念，解开反铁磁材料表面自旋行为的一大谜题，为下一代低功耗芯片器件打开全新思路。

基础信息

湘潭大学孙立忠、周攀课题组，湘潭大学为论文唯一完成单位，2026年9月13日《物理评论快报》PRL在线发表。

通俗讲透核心突破

先简单科普背景：我们熟悉的磁性分两大类，铁磁体，像磁铁一样对外有磁场；反铁磁体，内部原子自旋正反两两抵消，宏观上对外几乎没有磁场，特别适合做高速低功耗芯片。
过去全世界科研界普遍认为：体相内部是普通共线反铁磁体的材料，它的表面也不会产生自旋劈裂效应。也就是说，材料内部和表面的磁性表现是保持一致的。

湘潭大学团队打破了这个固有认知。
打个比方：把整块晶体想象成一栋完整大楼，大楼内部（体相）的房间，自旋电子是两两配对抵消，不表现出特殊自旋效应。但当大楼的一面墙被切开、露出表面，相当于大楼的边界环境发生改变，晶体的对称性被破坏。原本内部互相抵消的电子自旋，会在这个裸露的表面上，涌现出全新的交替自旋劈裂现象，这就是表面交变磁性。

团队完成三件关键工作：
第一，提出表面交变磁性全新物理概念，证明普通共线反铁磁体，在特定晶面，仅仅依靠表面对称性破缺，不需要强相对论自旋轨道耦合，就可以出现非相对论交变自旋劈裂。这里补充说明：欧洲团队更早发布相关预印本工作，湘潭大学这项成果是该方向率先在PRL正式刊发的研究。
第二，建立一套体‑表面自旋群的群‑子群理论框架，相当于搭建一套数学工具，可以预判哪些材料、哪个晶面能够出现这种新奇表面磁性，给全球同行提供一套可以直接使用的理论判断标准。
第三，在NaMnP、LiMnAs、CrSb等多种真实材料体系中完成理论计算与实验验证，证实这个物理现象真实存在，不是纸上空想的理论猜想。

国际对比、全球领先优势

在这项工作正式刊发之前，国际上研究交变磁性，大多聚焦在材料体相内部的本征磁性；大家都默认，普通共线反铁磁体的表面不会产生这类自旋劈裂，缺少系统理论去解释表面带来的磁性改变。欧洲团队曾在预印本平台提前公开了相近方向研究。

本次中国团队的核心亮点：

1. 率先在《物理评论快报》正式发表表面交变磁性的系统性研究成果，揭示了表面对称性破缺可以诱导出非相对论交变自旋劈裂，拓展了交变磁性的研究边界，把研究从材料内部延伸到材料表面界面。
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2. 构建体‑表面自旋群的群‑子群理论框架，把晶体体相和表面的自旋对称性做系统分类，给后续材料筛选、器件设计提供理论依据，属于凝聚态物理底层机理的原创探索。

该成果刚刚在线发表，第三方独立的国际学界评述还在陆续形成。这套理论框架可以直接被全球相关课题组借鉴，用来挖掘更多具备表面交变磁性的新型材料。

关键应用场景，在未来器件里起到什么作用

自旋电子器件，是下一代芯片重要发展方向，它不靠电荷，而是操控电子自旋来存储、处理信息，功耗可以做到远低于传统半导体芯片。反铁磁材料最大优势就是没有杂散磁场，器件可以做得更密集，不会互相干扰，但是长期存在一大痛点：很难读取、调控自旋信号。

这项“表面交变磁性”研究，主要有这几方面价值：

1. 低功耗自旋器件新机理：这种表面效应不需要强自旋轨道耦合，意味着可以选用更多种类的反铁磁材料来做自旋器件，不用局限于少数重元素材料，为自旋晶体管、自旋存储单元提供全新物理机理。
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2. 界面与表面器件设计：芯片器件大量依靠材料表面、界面来工作。这项理论可以指导科研人员，通过选择合适的晶体表面，来调控自旋信号，助力自旋存储、自旋逻辑芯片的研发。
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3. 拓展新型磁性材料筛选库：依靠这套群‑子群理论，科研人员可以快速预测哪些晶体的哪个晶面会出现表面交变磁性，大幅减少试错成本，加速新材料发掘。
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4. 基础物理研究拓展：丰富了交变磁性这一新兴物理领域的研究版图，推动反铁磁表面物理、自旋群理论的进一步发展。

补充说明：该成果属于基础物理理论研究，目前还停留在理论与材料验证阶段，距离实际器件产业化，还需要大量后续实验与工艺开发工作。