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七言·交錯磁體破繭行
交錯磁體因其兼具鐵磁和反鐵磁的特點，近年來成為自旋電子學領域的研究熱點。近日，筆者與合作者在《自然》系列的材料學前沿綜述期刊《Nature Reviews Materials》上發表關於交錯磁體的評述論文，系統回顧了交錯磁體材料的發現歷程及研究進展，並展望了其在自旋電子學、超快光學、磁子學、超導、拓撲等領域中的應用潛力。
筆者在此以科普的形式，概括性展示對這一新興前沿研究領域的認識、回顧與展望。
探尋交錯磁體：磁性材料對稱性分析的遺珠
長期以來，磁學研究主要圍繞兩類共線磁體展開：鐵磁體和反鐵磁體。鐵磁材料中平行排列的磁矩能夠產生宏觀磁化，因而被廣泛應用於永磁儲能、磁感測和磁記錄等領域。與此同時，由於其能帶結構表現出自旋劈裂 (圖 1a)，鐵磁材料也成為新一代磁隨機儲存器的核心材料。與之相關的巨磁阻效應獲得了 2007 年諾貝爾物理學獎。然而，鐵磁材料的雜散磁場和本徵 GHz 量級的磁動力學頻率，限制了其在高密度、高速儲存領域的應用前景。反鐵磁材料，因為其反平行排列的相鄰磁矩能夠相互抵消，具備無雜散場和本徵頻率高達 THz 量級等優勢。然而，反鐵磁材料在倒易空間中的能帶自旋簡併 (圖 1b) 使其難以相容巨磁阻和隧穿磁電阻效應。因此，反鐵磁材料長期處於“理論上有趣卻難於應用”或僅作為支撐材料的尷尬境地。那麼，是否存在一類共線磁體既滿足磁矩補償、又具有自旋能帶劈裂的特性呢？針對這一問題，研究者們從對稱性分析出發，展開了一系列探索。
圖 1. 實空間和動量空間中鐵磁、反鐵磁和交錯磁體的自旋構型示意圖。a, 鐵磁體實空間中相鄰磁矩平行排列，動量空間呈現為自旋能帶塞曼劈裂。b, 反鐵磁體實空間中相鄰磁矩反平行排列，且具有各向同性的自旋密度，動量空間呈現為自旋簡併。c, 交錯磁體實空間中磁矩補償，但磁亞晶格具有各向異性的磁密度，相鄰磁亞晶格透過旋轉或反射等對稱性連線，導致動量空間中的能帶呈現為交錯自旋劈裂。
鐵磁材料的宏觀磁化，確保了其動量空間存在塞曼自旋劈裂。反鐵磁材料中，磁矩的嚴格補償，需要空間對稱性的保護。1970 年的諾貝爾物理學獎得主路易 · 奈爾 (Louis Néel) 最早提出了一種相鄰磁矩反平行排列的晶格結構，其中相反的磁亞晶格透過平移對稱操作 (t) 相互關聯。換言之，當對該晶格施加時間反演 (T) 操作時，得到的磁結構與初始態的區別僅為空間上平移了特定的晶格常數，從而保證了體系的宏觀磁化為零。另一方面，由於薛定諤方程在平移操作下不變，體系中自旋向上和自旋向下的電子能譜完全相同，導致倒易空間中的能帶自旋簡併。類似的研究發現，若相反的磁亞晶格透過空間反演對稱操作 (P) 相互關聯，自旋能帶也是嚴格簡併的。
這就意味著，在一個共線磁體中，相反的磁亞晶格透過空間平移或反演之外的其他對稱性 (如旋轉、反射等) 連線時，體系的PT 和tT 對稱性可能不再嚴格保持。此時，該體系在倒易空間中就允許存在交錯排列的自旋極化 (即動量相關的能帶自旋劈裂或被稱為對稱性連線的自旋 – 動量鎖定)，而空間旋轉或反射等對稱性也確保了整個體系在實空間的磁矩補償 (圖 1c)。基於這一思想，國內外多個研究團隊相繼從理論上預測了一種新的共線磁結構——交錯磁體 (altermagnet) [1
~ 9]，開啟了對第三類磁序的探究之路。交錯磁體相鄰磁矩反平行排列，淨磁矩為零，表現出類似於反鐵磁的特徵；而在倒易空間中，其自旋能帶交錯劈裂，表現出類似於鐵磁的特徵。這種獨特的性質，使得交錯磁體融合了鐵磁與反鐵磁的雙重優勢：既具備高效資訊讀寫的潛力，又無雜散場干擾，同時擁有高達 THz 量級的本徵磁動力學頻率，為高速資訊處理和太赫茲通訊提供了理想的材料載體。
~ 9]，開啟了對第三類磁序的探究之路。交錯磁體相鄰磁矩反平行排列，淨磁矩為零，表現出類似於反鐵磁的特徵；而在倒易空間中，其自旋能帶交錯劈裂，表現出類似於鐵磁的特徵。這種獨特的性質，使得交錯磁體融合了鐵磁與反鐵磁的雙重優勢：既具備高效資訊讀寫的潛力，又無雜散場干擾，同時擁有高達 THz 量級的本徵磁動力學頻率，為高速資訊處理和太赫茲通訊提供了理想的材料載體。
對稱性分析，不僅從理論上預測了交錯磁體的存在，還為探尋具體的交錯磁體材料提供了指引。例如，在典型的中心反演對稱的 NiAs 型晶體結構中，若磁性原子處於 As 所在位置，而非磁原子處於 Ni 的位置，體系PT 和tT 對稱性保持，因而表現出反鐵磁的特徵；而當磁性原子處於 Ni 所在位置時，體系PT 和tT 對稱性破缺，從而表現為交錯磁體的特徵 (圖 2a)，典型的材料包括 α – MnTe 和 CrSb。類似地，在中心反演對稱體系中，若調換初基晶胞中某一對磁亞晶格的位置，反鐵磁體在理論上也可能轉變為交錯磁體。圖 2b 展示了 LiMnPO4 的兩種不同磁結構，左圖和右圖的區別在於相反磁亞晶格 (紅色和藍色) 的位置不同，導致相同的晶體結構既可以構成反鐵磁，也可以構成交錯磁體。對稱性分析可以初步判斷體系是否為交錯磁體，但要確認其存在，仍然需要依賴能帶計算和實驗證實。
圖 2. 透過晶體的磁對稱性分辨交錯磁體。a, 透過磁性與非磁性原子位置識別交錯磁體。b, 透過磁亞晶格的位置識別交錯磁體。
根據對稱性分析和能帶計算，理論預測已揭示出超過 200 個交錯磁體的候選材料。這些材料的電子結構涵蓋了金屬性、半金屬性、半導體性、絕緣性以及超導性 [2]，展現出豐富的物理特性和廣闊的研究潛力。例如，傳統磁性半導體的居里溫度很難達到室溫，成為限制自旋電晶體等器件研究的主要瓶頸之一。相比之下，半導體交錯磁體的奈爾溫度可突破室溫限制 (如 α – MnTe)，從而有可能實現室溫下自旋極化與半導體性的相容。此外，傳統的多鐵材料，往往是鐵電性與反鐵磁性的結合，但由於自旋能帶簡併，鐵電極化與自旋極化的直接耦合難以實現。多鐵交錯磁體為解決這一問題提供了新的可能性。總體而言，交錯磁體的概念提出，不僅顛覆了近百年來人們對磁性材料的傳統分類認知，還催生了一系列致力於揭示新奇物理現象的理論與實驗研究，展現出在構築新型自旋電子器件方面的巨大潛力，因而入選了《科學》雜誌評選的“2024 年十大科學突破”。
揭示獨特性質：交錯磁體的實驗發現與多維度調控
近年來，交錯磁體領域發展迅猛，實驗研究更是取得了突破性進展，主要體現在交錯磁體的譜學探測、自旋輸運以及磁序調控等方面。
首先，研究者們利用角分辨光電子能譜 (ARPES) 和 X 射線磁圓二色譜 (XMCD) 等譜學技術，結合第一性原理計算，成功揭示了交錯磁體候選材料中動量相關的交錯自旋能帶劈裂的特性 (圖 3)，證實了交錯磁體的存在 [10~15]。其中，基於軟 X 射線的 ARPES 技術具有足夠強的光子能量，能夠排除表面相對論自旋劈裂的影響；自旋分辨的 ARPES 不僅提供了自旋劈裂的直接證據，還為探究交錯磁體動量空間的對稱性 (如 d 波、g 波、i 波) 提供了重要契機。此外，基於 X 射線吸收譜的光發射電子顯微鏡 (PEEM) 技術，實現了對交錯磁疇的實空間成像。透過解析 XMCD 和 XMLD 譜，研究者能夠獲得不同微區中的奈爾向量取向資訊 [16]。
圖 3. 譜學技術探測交錯磁體。a, 利用軟 X 射線的角分辨光電子能譜技術探測α – MnTe 的能帶結構。b, 利用自旋分辨的角分辨光電子能譜技術探測α – MnTe 在動量空間中的自旋極化。c, 利用 X 射線磁圓二色譜探測 RuO2 動量空間中的時間反演對稱性破缺。
研究者們的另一個重要發現是，在多物理場下，交錯磁體展現出獨特的自旋輸運現象 (圖 4)，包括反常霍爾效應 [17 ~ 22]、反常能斯特效應、磁光克爾效應 [20]、非相互對論的自旋 – 電荷轉化 [23 ~ 25]、非常規的壓磁效應 [7] 以及隧穿磁電阻效應 [26, 27] 等。在常規的共線反鐵磁中，這些自旋輸執行為由於自旋能帶簡併而被抑制，因此相關實驗探究可作為揭示交錯磁體的間接實驗證據。這些基於時間反演對稱性破缺的磁電響應，不僅深化了對其物理起源的認知，還為交錯磁體自旋器件的資訊讀取提供了新途徑。例如，交錯磁體中的反常霍爾效應，不僅依賴於奈爾向量取向，還具有高度的晶向依賴性 [17, 18]。此外，理論計算表明，基於交錯磁體的隧穿磁電阻值可超過 500%，為奈爾向量的高效讀出提供便利。
隨著研究的深入，研究者們陸續利用電場和應變等物理場實現了對交錯磁序的多維度有效操控 [26, 28]。具體而言，一方面，電流驅動的自旋軌道力矩可以實現對其奈爾向量的 180° 翻轉 (圖 4)，其翻轉手性可透過改變輔助磁場進行調控。另一方面，應力場可透過改變晶體對稱性來調製交錯磁體，從而有效調控其自旋輸執行為和磁化翻轉效率。基於交錯磁體的自旋輸運特性和多維度調控機制，研究人員已在儲存原型器件中已展示了全電學讀寫操作，展示了其潛在的應用前景。
圖4. 交錯磁體中的自旋輸執行為。a, 反常霍爾效應。b, 反常能斯特效應。c, 磁光克爾效應。d, 自旋軌道力矩驅動奈爾向量的180°翻轉。e, 自旋劈裂力矩驅動垂直磁化零場翻轉。f, 非相對論的自旋 – 電荷轉化。
筆者和潘峰教授所在的清華大學團隊，是國際上最早開展交錯磁體研究的研究組之一。2022 年 5 月，我們團隊與美國康奈爾大學的 D. Ralph 教授團隊同期獨立報道了交錯自旋劈裂力矩效應 (Phys. Rev. Lett. 2022) 及其逆效應 (Phys. Rev. Lett. 2023)，被國際同行視為驗證交錯磁體概念的原創實驗 (initial experiments) [2]。接下來，團隊聚焦於研究對交錯磁性的多維度探測與操控。2024 年，我們團隊提出了不對稱勢的壘模型，在交錯磁體 Mn5Si3 / Pt 異質結中成功實現了電學操控的奈爾向量 180°翻轉，並利用反常霍爾效應讀出 (Sci. Adv. 2024)。
交錯磁體的形成，源於相反取向的磁性晶格附近截然不同的晶體環境。因而，交錯磁序不僅依賴於奈爾向量取向，還強烈敏感於晶體對稱性。2025 年，我們團隊首次展示從晶格維度對交錯磁體的高效調控，並透過對稱性設計實現零磁場下奈爾向量的全電學 180°翻轉，進一步拓展交錯磁體的調控機制 (Nature 2025)。未來，筆者所在團隊將繼續致力於探索交錯磁體的“指標”輸運特性以及構築相關的自旋器件，並推動基於交錯磁體的多學科交叉發展。
最近，我們對交錯磁體相關研究進行了系統性的梳理，以Altermagnets as a new class of functional materials為題，於北京時間 2025 年 2 月 15 日，在《Nature
Reviews Materials》期刊線上發表。筆者和清華大學材料學院博士生白樺是論文共同第一作者，筆者、捷克物理所 H. Reichlova 教授、洛桑聯邦理工學院 J. Hugo Dil 教授和香港科技大學劉軍偉教授是論文的通訊作者。其他重要合作者包括清華大學潘峰教授、博士生周致遠、韓磊、陳賢哲博士。研究工作得到國家基金委傑出青年科學基金、專項專案和國家重點研發計劃等專案的支援。對詳細內容感興趣的讀者，可點選文尾的“閱讀原文”而御覽一二。
Reviews Materials》期刊線上發表。筆者和清華大學材料學院博士生白樺是論文共同第一作者，筆者、捷克物理所 H. Reichlova 教授、洛桑聯邦理工學院 J. Hugo Dil 教授和香港科技大學劉軍偉教授是論文的通訊作者。其他重要合作者包括清華大學潘峰教授、博士生周致遠、韓磊、陳賢哲博士。研究工作得到國家基金委傑出青年科學基金、專項專案和國家重點研發計劃等專案的支援。對詳細內容感興趣的讀者，可點選文尾的“閱讀原文”而御覽一二。
Altermagnets
as a new class of functional materials
as a new class of functional materials
Cheng Song (宋成), Hua Bai, Zhiyuan Zhou, Lei
Han, Helena Reichlova, J. Hugo Dil, Junwei Liu, Xianzhe Chen & Feng Pan
Han, Helena Reichlova, J. Hugo Dil, Junwei Liu, Xianzhe Chen & Feng Pan
Nature Reviews Materials (2025).
https://www.nature.com/articles/s41578-025-00779-1
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備註：
(1) 筆者宋成，任職清華大學材料學院/先進材料教育部重點實驗室，教授。團隊主頁：https://www.mse.tsinghua.edu.cn/info/1024/1791.htm。
(2) 標題“第三類磁序的覺醒：交錯磁體的破繭之路”乃宣傳式的言辭。這裡用來表現近期發現的交錯磁體與傳統鐵磁和反鐵磁的不同。
(3) 圖片來自 Nature Reviews Materials 論文。小詩描寫了交錯磁體的發現及其物理性質。
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