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探测交替磁体的隐藏磁性
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探测交替磁体的隐藏磁性 交替磁体（altermagnets）是一类新近被认识的反铁磁体，其磁结构与传统体系中的表现截然不同。在传统反铁磁体中，各子晶格通过简单的反演或平移对称性相互关联，从而导致电子能带的自旋简并。而在交替磁体中，子晶格则通过诸如旋转或螺旋轴等非常规对称性相互连接。这种对称性的改变打破了自旋简并，使得即便在没有净磁化的情况下，也能产生自旋极化的电子电流。 这一独特性质使交替磁体成为自旋电子学技术的理想候选材料。自旋电子学是一门利用电子的内禀自旋（而不仅仅是电荷）来存储和处理信息的电子学领域。由于自旋翻转或方向切换的速度极快，能够支持自旋相关电流的材料有望实现更快、更节能的电子器件。 识别交替磁体材料的挑战 然而，确认一种材料是否真正具有交替磁性并不容易。即便是像二氧化钌这样研究较为深入的候选材料，研究人员之间仍然对其是否表现出交替磁性存在分歧。这种不确定性凸显了对实验方法的迫切需求——这些方法必须能够直接揭示交替磁性化合物中各子晶格的磁排布。 如今，日本千叶大学工程研究生院与分子手性研究中心的 Peter Krüger 教授 开发出了一种能够最终探测这种隐藏磁结构的方法。 基于 RPED 的新型探测方法 通过采用一种称为共振光电子衍射（resonant photoelectron diffraction，RPED）的技术，并结合圆偏振光，Krüger 教授发现，交替磁体会在其衍射图样中产生一种独特的**磁圆二色性（circular dichroism, CD）**信号——当光波的手性发生反转时，该信号的符号也会随之反转。 这种响应能够直接揭示每一个独立子晶格的磁化状态，从而使隐藏的交替磁结构变得可见。 该研究成果已发表在《Physical Review Letters》期刊上。 “我提出了一种用于测量这些新型材料磁学性质的新方法，具体包括原子磁矩的方向和大小。借助该方法，可以在纳米结构材料，尤其是传统中子散射等手段失效的薄膜体系中探测交替磁性。”Krüger 教授表示。 新技术的工作原理 该方法建立在 X 射线磁圆二色性（XMCD）之上。XMCD 测量的是磁性原子对左、右圆偏振 X 射线吸收的差异。然而，对于交替磁体而言，XMCD 通常效果有限，因为 A、B 两个子晶格上的磁矩大小相等、方向相反，其信号会相互抵消。 CD-RPED 通过将 XMCD 与光电子衍射（photoelectron diffraction，PED）相结合，克服了这一问题。PED 利用 X 射线激发电子逸出；这些电子在逃逸过程中会与周围原子发生散射，从而为每一个原子位置形成独特的衍射图样。 当将 X 射线能量调谐至磁性原子的共振能级时，衍射图样的强度就会对局域磁矩方向产生敏感响应。因此，左、右圆偏振光所产生的衍射图样会有所不同，从而使每个子晶格都呈现出各自独立的磁学“指纹”。 验证与未来影响 该方法已在锰碲化物（一种公认的交替磁体）中得到了验证。分析结果表明，在相反圆偏振条件下，衍射图样发生了 180° 翻转，产生了清晰的二色性信号，证实了该技术在探测交替磁有序方面的有效性。 “我们已经证明，RPED 中磁圆二色性的出现，直接源于每个磁性子晶格上的 XMCD 效应，以及交替磁体中两个子晶格必然具有不同 PED 图样这一事实。”Krüger 教授指出。 这一突破使得在表面、界面以及薄膜等传统磁学探测手段往往失效的体系中，对交替磁性的明确鉴定成为可能。展望未来，在原子尺度上确定交替磁有序的能力，有望加速新型交替磁体材料的发现，并推动下一代自旋电子学技术的发展。 More information: Peter Krüger, Circular Dichroism in Resonant Photoelectron Diffraction as a Direct Probe of Sublattice Magnetization in Altermagnets, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/pl1p-v5rs |
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