作為一類新型磁性材料,交錯磁體的核心特征在于零凈磁化強度和動量依賴自旋劈裂的能帶結(jié)構(gòu),突破了傳統(tǒng)鐵磁體與反鐵磁體的分類框架。角分辨光電子能譜(ARPES)測量首先在半導(dǎo)體材料MnTe和MnTe2中觀測到自旋劈裂的能帶結(jié)構(gòu),實驗上確認了交錯磁體的存在。相比之下,金屬性的交錯磁體不僅為研究低能準粒子激發(fā)提供了獨特的平臺,同時在自旋電子學(xué)應(yīng)用方面具有巨大潛力。
中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心EX7組、T03組、SC10組和EX1組等多個課題組合作,通過系統(tǒng)的實驗測量與理論計算,在KV2Se2O中揭示了金屬性室溫交錯磁體的存在,并闡明了其獨特的d波自旋–動量鎖定特性及自旋密度波轉(zhuǎn)變。
KV2Se2O具有層狀的晶體結(jié)構(gòu),其中V和O原子形成V2O平面。核磁共振譜測量表明,V原子在室溫以上形成長程磁有序,自旋沿c軸反平行排列,并在100K附近發(fā)生自旋密度波轉(zhuǎn)變。ARPES實驗解析出KV2Se2O的電子能帶結(jié)構(gòu),結(jié)合不同磁結(jié)構(gòu)下的能帶計算,發(fā)現(xiàn)交錯磁有序的計算能帶結(jié)構(gòu)與實驗結(jié)果高度吻合。研究團隊進一步開展自旋分辨ARPES測量,觀測到具有d波對稱性的動量依賴自旋極化,為KV2Se2O交錯磁性的存在提供了確定性證據(jù)。能帶計算表明,KV2Se2O在費米能級處的自旋劈裂高達1.6eV,這是目前已知交錯磁體材料中的最高記錄。此外,ARPES實驗在自旋密度波相中觀測到嵌套的準一維費米面打開各向同性的能隙,表明費米面嵌套是驅(qū)動自旋密度波轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵因素。
該研究成果以“A metallic room-temperature d-wave altermagnet”為題,于2025年3月18日在線發(fā)表于Nature Physics。物理所博士生江北、胡明哲、白建利、宋子寅和博士后牟超為共同第一作者,物理所錢天研究員、翁紅明研究員、李航副研究員、陳根富研究員和李政副研究員為通訊作者。合作者還包括物理所李世亮研究員、何倫華研究員、雒建林研究員、魏忠旭副研究員、北京大學(xué)彭瑩瑩助理教授、南方科技大學(xué)孫煜杰副教授等。本研究得到科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院等科研項目的資助,并依托懷柔綜合極端條件實驗裝置、上海同步輻射光源和中國散裂中子源完成相關(guān)實驗。?
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圖:a,KV2Se2O的晶體結(jié)構(gòu)、磁結(jié)構(gòu)和溫度依賴核磁共振譜;b,理論計算和ARPES測量的電子結(jié)構(gòu)及自旋極化ARPES數(shù)據(jù)。