交變磁性是近年來提出的第三類基本磁相。交變磁性既有反鐵磁體的零凈磁場,又具有鐵磁體的自旋劈裂現(xiàn)象。通常,兩者被認(rèn)為是不相容的。交變磁性兼具鐵磁性和反鐵磁性的優(yōu)勢,為制造自旋電子器件帶來了新突破口,在磁存儲和量子計(jì)算中展現(xiàn)出應(yīng)用前景。

在較多潛在的交變磁性材料中,金紅石結(jié)構(gòu)的二氧化釕(RuO₂)因具備特殊的晶體對稱性以及理論預(yù)測的1.4 eV的能帶劈裂,被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)交變磁性特征的候選材料之一。同時(shí),實(shí)驗(yàn)上RuO₂是否是磁性材料存在爭議。

中國科學(xué)院上海高等研究院、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、金屬研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)及南京大學(xué)的科研人員合作,運(yùn)用上海光源BL03U高分辨角分辨光電子能譜技術(shù),剖析了RuO₂高質(zhì)量單晶和外延薄膜的電子結(jié)構(gòu)。該團(tuán)隊(duì)通過分析RuO₂電子結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)其與基于非磁性基態(tài)的理論計(jì)算特征吻合,未觀測到交變磁而引起的Kramer簡并的解除現(xiàn)象。該團(tuán)隊(duì)通過進(jìn)一步的自旋分辨角分辨光電子能譜發(fā)現(xiàn),RuO₂低能體帶具有顯著的面內(nèi)自旋極化特性,在高對稱平面上呈現(xiàn)自旋反對稱性,與交變磁性預(yù)期的d波自旋織構(gòu)相悖。團(tuán)隊(duì)分析認(rèn)為,這種非典型的自旋極化可能是Rashba效應(yīng)或空間反演對稱性破缺所致。

上述研究推翻了此前關(guān)于RuO₂具有交變磁性的假設(shè),促使學(xué)界重新審視這一材料的磁性特征。同時(shí),該研究發(fā)現(xiàn)的RuO₂低能體帶的自旋極化特性,揭示了RuO₂在自旋電子學(xué)中的潛在應(yīng)用,為研究自旋在其高效催化特性方面的作用提供了新思路。

相關(guān)研究成果以Absence of Altermagnetic Spin Splitting Character in Rutile Oxide RuO₂為題,發(fā)表在《物理評論快報(bào)》(Physical Review Letter)上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金等的支持。

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上海高研院等實(shí)驗(yàn)證實(shí)二氧化釕非交變磁特性