揭開第三類磁性的面紗：交替磁性材料RuO₂的自旋分裂效應(yīng)研究

由臺灣大學(xué)凝態(tài)科學(xué)研究中心助理研究員曲丹茹所帶領(lǐng)的量子自旋實驗室，其研究團隊成功觀測到各向異性的自旋電流轉(zhuǎn)換效應(yīng)，明確的證實RuO₂的自旋分裂效應(yīng)，此研究成果已於2024年7月發(fā)表於頂級物理學(xué)期刊Physical Review Letters，同時被期刊編輯推薦獲選為Editors’ suggestion。

鐵磁性 (ferromagnetism, FM) 和反鐵磁性 (antiferromagnetism, AFM) 一直是磁性 (magnetism) 的兩個主要分類。近兩年來，交替磁性 (altermagnetism, AM) 的概念被理論學(xué)家提出，被劃分為不同於鐵磁性和反鐵磁性的第三類磁性，給傳統(tǒng)的磁性分類帶來突破性的進展。在理論預(yù)測中，AM兼具FM和AFM的優(yōu)勢，沒有磁矩 (M ≈ 0)，不易受外界干擾，但在特殊方向能帶有自旋分裂 (spin splitting)，產(chǎn)生自旋激化流 (spin polarized current) 翻轉(zhuǎn)磁矩。是自旋電子應(yīng)用夢寐以求的理想材料，能實現(xiàn)高密度、高穩(wěn)定度、讀寫快速的磁性隨機存儲記憶體 (MRAM)。

理論學(xué)家預(yù)測，只要自旋 (spin) 和晶格 (lattice) 的對稱性不一樣，就有機會產(chǎn)生具有交替磁性的材料。最典型的例子就是金紅石 (rutile) 結(jié)構(gòu)的RuO₂，該材料的晶格具有C₄四重對稱性，自旋具有C₂二重對稱性。若沿著垂直於奈爾向量 (Néel vector) 的方向注入電流，就會在同向或是橫向產(chǎn)生因自旋分裂造成的自旋流。相反的，如果自旋流沿著特定方向注入，RuO₂就可將自旋流轉(zhuǎn)換成電荷流。

但是實驗上，想要證明RuO₂具有交替磁性並不容易。首先，必須成長出高品質(zhì)的單晶薄膜材料，並保證奈爾向量的均一排列；第二，需要一個穩(wěn)定且不會產(chǎn)生寄生效應(yīng)的輔助材料，如磁性絕緣體Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) 來產(chǎn)生注入進RuO₂的自旋電流，再通過RuO₂將自旋流轉(zhuǎn)換為電荷流，進行量測；第三，RuO₂本身具有自旋軌道耦合效應(yīng) (spin-orbit coupling, SOT)，所以需將因SOT產(chǎn)生的自旋流分離出來。以上三點每一點都充滿挑戰(zhàn)，但研究團隊全都做到了。在實驗中，通過成長高品質(zhì)的YIG/RuO₂/TiO₂（基板）異質(zhì)結(jié)構(gòu)樣品，研究團隊成功觀測到各向異性的自旋電流轉(zhuǎn)換效應(yīng)，明確的證實RuO₂的自旋分裂效應(yīng)。除此之外，還觀測到Y(jié)IG的磁滯曲線在磁場沿著和垂直於RuO₂[001]方向時，有明顯的寬窄形狀差別，驗證RuO₂的奈爾向量確實存在於[001]方向，為RuO₂是否具有磁性的爭議帶來重要肯定的證據(jù)。

感謝臺大的支持及研究團隊的努力，以及凝態(tài)科學(xué)研究中心、新穎材料原子級科學(xué)研究中心 (AI-MAT) ，和國科會提供給新進人員的啟動經(jīng)費，讓實驗室可以建立一套高品質(zhì)薄膜製備系統(tǒng)，以及一套高解析度自旋電流量測系統(tǒng)，讓此卓越的研究能在臺大獨立完成。研究團隊會繼續(xù)耕耘在相關(guān)領(lǐng)域，期待會獲得更多的突破。

研究成果全文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.056701