交错磁体:磁学和热学的新篇章

诸平

Crystal thermal transport in altermagnets. The left part, which includes the balls, arrows, and spin density isosurfaces, represents a typical altermagnet. When a temperature gradient field is applied, charge and thermal currents are induced in a perpendicular direction, illustrating crystal thermal transport, as shown in the right part. Credit: Zhou et al/Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.056701

据物理学家组织网(Phys.org)2024年2月6日报道，来自中国、德国以及捷克的研究人员合作在一项新的研究中，科学家们研究了新发现的一类交错磁性材料（altermagnetic materials）的热性能，为自旋热电子应用（spin-caloritronic applications）的交错磁体（altermagnets）的独特性质提供了见解（Altermagnets: A new chapter in magnetism and thermal science）。

磁性（Magnetism）是固体物理学中一个古老且迷人的议题，有着极其丰富的物理内容和不断涌现的新问题。在磁性材料中，由于原子之间的交换相互作用，自旋磁矩平行或反平行排列，形成最常见的铁磁体（ferromagnets）和反铁磁体（antiferromagnets），已被人们知晓并研究了一个世纪之久。在过去的20年里，人们开始探索非共线磁体（non-collinear magnets）的奇妙世界，包括自旋螺旋、斯格明子和自旋冰等。然而，非共线磁体的磁结构过于复杂且在外场下通常不能稳定存在，不利于在自旋电子学器件等方面的实际应用。最近，研究人员发现了一种新的共线磁体，即交错磁体(altermagnet)。交错磁体具有铁磁体和反铁磁体的二象性：一方面，它类似于反铁磁体，净磁化强度为零；另一方面，它类似于铁磁体，存在非相对论自旋劈裂。尽管交错磁性被发现不久，却逐渐成为磁性材料领域的研究热点。

交错磁体表现出一种独特的磁性混合特性，使它们与铁磁体（ferromagnets）和反铁磁体（antiferromagnets）等传统磁性材料区别开来。这些材料表现出在铁磁体和反铁磁体中观察到的特性，使它们的研究具有吸引力。由北京理工大学（Beijing Institute of Technology, Beijing, China）的冯万祥（Wanxiang Feng音译）教授和姚裕贵（Yugui Yao音译）教授领导，相关研究结果于2024年1月29日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Xiaodong Zhou, Wanxiang Feng, Run-Wu Zhang, Libor Šmejkal, Jairo Sinova, Yuriy Mokrousov, Yugui Yao. Crystal Thermal Transport in Altermagnetic RuO₂. Physical Review Letters, 2024, 132(5): 056701. DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.056701. Published 29 January 2024. On arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2305.01410. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.056701

此项研究成果探讨了交错磁体的热特性。参与此项研究的除了来自中国北京理工大学的研究人员之外，还有来自江苏师范大学（Jiangsu Normal University, Xuzhou, China）、德国美因茨的约翰内斯·古腾堡大学（Johannes Gutenberg University Mainz, Mainz, Germany）、德国于利希研究中心和JARA 的彼得·格林贝格研究所和高级模拟研究所（Peter Grünberg Institut and Institute for Advanced Simulation, Forschungszentrum Jülich and JARA, Jülich, Germany）以及捷克科学院（Czech Academy of Sciences, Cukrovarnická 10, 162 00 Praha 6, Czech Republic）的研究人员。

谈到他们探索交错磁体背后的动机，冯万祥教授告诉Phys.org，“磁性（Magnetism）是固态物理学中一个古老而迷人的话题。在过去几十年探索非共线磁体（non-collinear magnets）的过程中，我们遇到了一种新型的共线磁体，即交错磁体（altermagnet）。”

姚裕贵教授补充说:“交错磁体具有类似铁磁体和反铁磁体的双重性质，引起了我们对其潜在的新奇物理效应的兴趣。我们的动机源于理解和解开这些磁性材料独特性质的愿望。”

磁性的出现（The emergence of magnetism）

磁性来自原子的行为，特别是电子在材料中的排列和运动。

“在磁性材料中，由于原子之间的交换相互作用，自旋磁矩排列平行或反平行，分别形成最常见的铁磁体和反铁磁体，这已经研究了一个多世纪，”冯万祥教授解释说。

交错磁体通过体现类似于零净磁化（zero net magnetization）的反铁磁体和具有非相对论性自旋分裂的铁磁体的双重性质而违反常规规范。在交错磁体中，共线反平行磁序（collinear antiparallel magnetic order）与非相对论性自旋分裂相结合，导致零净磁化，类似于反铁磁体和铁磁自旋动力学同时发生。

这种独特的行为源于晶体结构（crystal structure）中原子之间错综复杂的相互作用。例如，本研究的主题二氧化钌（RuO₂）展示了由非磁性氧原子引起的自旋简并(spin degeneracy)，打破了空间和时间对称性。这导致了此种材料独特的磁性。此外，交错磁体表现出独特的自旋极化（spin polarization）。“自旋极化”意味着电子自旋的优势倾向于在一个特定的方向上排列。自旋极化在交错磁体中是值得注意的，因为它发生在原子的物理排列(实空间)和动量空间中，其中考虑了材料中电子自旋的分布。

能斯特和霍尔效应（Nernst and Hall effects）

研究人员重点研究了RuO₂中晶体能斯特和晶体热霍尔效应（crystal thermal Hall effects）的出现，RuO₂被选为交错磁性（altermagnetism）的展示代表。

在交错磁体中观察到的晶体能斯特效应(crystal Nernst effect简称CNE)是其独特磁性的结果。简单地说，当此种材料在其尺寸上经历温差时，它会导致垂直于温度梯度（temperature gradient）和磁场的电压的出现。这一现象揭示了此材料的磁性会影响其对温度变化的响应，从而深入了解了交错磁体中热和磁性行为之间的复杂联系。

在交错磁体中，这种效应显著地受到奈尔矢量（Néel vector）方向的影响，奈尔矢量表示相邻磁矩对齐的方向。这给热响应增加了一层额外的复杂性。

类似地，晶体热霍尔效应(crystal thermal Hall effect简称CTHE)揭示了热如何在交错磁体中移动。与传统的热霍尔效应一样，它与温度梯度和磁场（magnetic field）垂直。在交错磁体中，CTHE根据奈尔矢量方向显示出显著的变化。这种各向异性（anisotropy）是理解变磁材料（altermagnetic materials）特有的热输运行为的中心因素。

RuO₂的热性能（Thermal properties of RuO₂）

研究方法采用双重策略，结合对称分析和前沿第一性原理计算（cutting-edge first-principles calculations），揭示了RuO₂的热输运性质。对称性分析在揭示交错磁性产生背后的根本原因方面发挥了至关重要的作用。通过两种对称操作，包括空间反转（spatial inversion）、时间反转（time reversal）和晶格平移（lattice translation），该研究展示了晶体结构中原子的复杂相互作用，展示了非磁性氧原子如何在能带中诱导非相对论性自旋分裂。这一过程导致了晶体时间反转对称性的破坏，产生不同的晶体热输运性质。

姚裕贵教授说:“通过详细的分析，我们确定了三种促进晶体热输运的物理机制:韦尔伪节线（Weyl pseudo-nodal lines）、交错磁伪节面（altermagnetic pseudo-nodal planes）和交错磁阶梯过渡（altermagnetic ladder transitions）。”

简单来说，韦尔伪节线是引导材料内部热量的路径，交错磁伪节面可以作为指定区域的图像来影响热流，而交错磁阶梯过渡可以被认为是此材料攀登热阶梯的方式。

这些发现令人兴奋，因为它们在热如何在交错磁体中传播方面发挥了重要作用。研究人员在RuO₂中发现了一个扩展的威德曼-弗朗兹定律（Wiedemann-Franz law），将这种材料不同寻常的热和电传输特性联系起来。与传统的预期相反，这个扩展定律适用于更广泛的温度范围，延伸到150 K以上。

自旋热电子学（Spin caloritronics）

研究人员认为，交错磁体可能在自旋热电子学中发挥关键作用，这是一个探索自旋和热流之间相互作用的研究领域，这是铁磁体或反铁磁体无法实现的。该领域在开发信息处理和存储新技术方面具有潜在的应用前景。

“与铁磁材料相比，具有共线反平行磁序的交错磁材料表现出更快的自旋动力学和更低的杂散磁场(stray magnetic fields)灵敏度。这使得它们有望实现更高的存储密度和更快的自旋热电子器件(spin caloritronic devices)，”冯万祥教授解释说。

研究人员还打算在未来研究高阶晶体热输运和磁光效应（magneto-optical effects）。谈到这一点，姚裕贵教授说:“与反铁磁体或铁磁体相比，我们对交错磁体中高阶晶体热输运和高阶磁光效应的差异感到很好奇。我们正处于这项技术的早期阶段，在实际实现之前还有很长的路要走。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

We demonstrate the emergence of a pronounced thermal transport in the recently discovered class of magnetic materials—altermagnets. From symmetry arguments and first-principles calculations performed for the showcase altermagnet, RuO₂, we uncover that crystal Nernst and crystal thermal Hall effects in this material are very large and strongly anisotropic with respect to the Néel vector. We find the large crystal thermal transport to originate from three sources of Berry’s curvature in momentum space: the Weyl fermions due to crossings between well-separated bands, the strong spin-flip pseudonodal surfaces, and the weak spin-flip ladder transitions, defined by transitions among very weakly spin-split states of similar dispersion crossing the Fermi surface. Moreover, we reveal that the anomalous thermal and electrical transport coefficients in RuO₂ are linked by an extended Wiedemann-Franz law in a temperature range much wider than expected for conventional magnets. Our results suggest that altermagnets may assume a leading role in realizing concepts in spin caloritronics not achievable with ferromagnets or antiferromagnets.