近日，新葡的京集团35222vip苗霖教授、张晓倩副教授课题组与中科大何力新教授课题组合作，在交错磁薄膜的能带调控研究中取得重要进展。该团队首次在实验上观测到了交错磁CrSb薄膜在整个布里渊区（BZ）中呈现出与体相自旋劈裂截然不同的自旋简并基态，揭示了界面应变在调控交错磁薄膜磁重构方面的重要作用，为通过对称性工程调控交替磁自旋劈裂提供了新范例。该研究成果以“Tailoring Altermagnetic Spin Splitting via Strain-Induced Symmetry Reconstruction in CrSb Thin Films”为题，于10月23日在线发表于Advanced Materials。
图1
近年来，一类新的基本磁性——交错磁性（altermagnetism）的提出，引起了物理学领域的广泛关注。交错磁体在实空间中具有共线的反铁磁结构，净磁化强度为零；但同时在倒空间中，又存在着非相对论的自旋劈裂，是自旋对称性与晶格对称性相互作用的结果。由于非相对论的自旋劈裂特性，其自旋劈裂的能量尺度可达1eV左右，比自旋轨道耦合（SOC）诱导的能带劈裂高出一个数量级，在制备自旋电子学器件方面具有广阔的应用前景。目前已有许多实验工作证实了交错磁材料具有自旋劈裂的能带结构，比如α-MnTe、CrSb等，但这些工作大多聚焦在块体材料上，受维度效应以及界面应变的作用，薄膜材料通常会呈现一些体材料中所不具备的独特物性，然而目前在交错磁领域对这一方向的研究工作尚不完备。
图2
针对上述提出的问题，研究团队利用分子束外延（MBE）方法，制备出了高质量大面积的交错磁CrSb异质结薄膜，结合原位的RHEED、STM以及非原位的XRD、STEM等表征手段，证实了单晶薄膜样品的高质量性（图1）。同时，利用基于同步辐射的高分辨ARPES以及Spin-ARPES技术，得到了清晰的费米面图像和沿布里渊区不同路径上的能带色散。理论计算的结果表明CrSb是g-wave交错磁体，具有四个自旋简并的节面，在远离高对称路径的方向上，能带呈现交替的自旋劈裂。然而Spin-ARPES的结果显示，在10nm的CrSb薄膜中，整个布里渊区中能带都是自旋简并的，与理论预测不符，并且ARPES探测的能带色散特征与DFT基于体相CrSb中A-AFM相计算得到的能带也并不非常吻合。因此，基于此实验结果与计算结果的不一致性，该研究提出了“利用对称性调控磁构型转变”的方案，通过第一性原理计算，得到了不同应变情况下的基态磁构型相图。计算结果显示（图2），对体相 CrSb 而言，无论处于面内还是面外的应力条件下，A-AFM相始终是能量最低的基态。而与之相反的单层（1ML）CrSb 薄膜的磁基态则对所施加应力的方向和类型高度敏感。具体而言，在面内压缩应变（IP~-2.7%）和面外拉伸应变（OOP~+2.4%）的共同作用下，体系的基态会向G-AFM相转变，此时CrSb薄膜恰好处于G-AFM / A-AFM的相边界处（用黄色星号标记），同时实验结果与G-AFM相计算能带的完美匹配，也进一步验证了这一点。另外，G-AFM相中保留了PT对称性，根据对称约束，PT对称性会强制全布里渊区的自旋简并，这与Spin-ARPES的结果相一致。该研究建立了“应变-对称重构-自旋特性”的调控范式，为低维交错磁材料的对称调控提供实验依据。
新葡的京集团35222vip为论文第一完成单位，苗霖教授、张晓倩副教授以及中科大何力新教授为共同通讯作者，新葡的京集团35222vip博士生林文亭、中科大沈振雄副研究员、张晓倩副教授、李朝恺副教授为共同第一作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和量子材料与信息器件教育部重点实验室（新葡的京集团35222vip）开放研究基金的资助。
供稿：张晓倩
审核：苗霖