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超导交替磁体或可实现无能量损耗的自旋输运
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研究人员提出，一类新近被识别的磁性材料，可能将超导体中的零电阻电流扩展到电子自旋。在发表于《Physical Review X》的计算研究中，不列颠哥伦比亚大学的Kyle Monkman及其同事提出，“交替磁体（altermagnets）”可以实现无耗散的持续自旋电流。如果这一效应得到实验验证，它将为自旋电子学提供一个强有力的新平台，在该领域中，信息是由电子自旋而非电荷来编码的。 自旋输运的挑战 在自旋电子学中，实现自旋在长距离上的传输是一项核心挑战。在传统金属和半导体中，自旋电流会由于使电子自旋随机化的各种效应而迅速衰减。一种有前景的解决方案是超导自旋电子学，即将无耗散的电荷输运与磁性材料结合。然而，这类杂化体系通常存在固有缺陷，包括杂散磁场对邻近器件的干扰，从而抑制超导性。 交替磁体于2024年首次被确认，为绕开这些问题提供了一种潜在途径。它们类似于反铁磁体（其中磁偶极子的自旋总是与其邻近原子相反），具有零净磁化，从而避免了不必要的磁场。 但与此同时，它们又类似于铁磁体，其晶体对称性赋予电子能带“自旋分裂”特性——即自旋向上和自旋向下的电子在具有相同动量的情况下拥有不同的能量。这种独特的组合引发了人们对其可能承载非常规超导态的浓厚兴趣。 两种凝聚态：一种奇异超导体 在该研究中，Monkman团队提出，当交替磁体进入超导态时，会自然形成一种由两个相互独立的凝聚态组成的奇异状态：一个由自旋向上的电子对构成，另一个由自旋向下的电子对构成。与传统超导体中自旋相反的电子配对不同，交替磁体更倾向于形成相同自旋的电子对。 因此，这种超导态可以看作由两种彼此独立的“流体”组成：自旋向上流体和自旋向下流体。在自旋—轨道耦合作用较弱时，这两种流体可以彼此独立流动。 这种分离带来一个引人注目的可能性：如果两个凝聚态以相反方向流动，它们的电荷电流将相互抵消，而自旋电流则会叠加。最终结果是产生一种纯自旋超电流——在没有任何电荷流动的情况下实现自旋输运。 研究团队还发现了一种“自旋电流发电机效应”，即在特定晶体取向下，外加电荷电流可以诱导产生横向的自旋超电流。 稳定电流与未来前景 关键的是，Monkman及其同事表明，即使在存在自旋—轨道耦合和磁性无序的情况下，这些自旋电流依然具有很强的稳定性。这一行为与传统材料形成鲜明对比，在传统材料中，自旋电流通常在很短距离内就会消失。 尽管目前尚未在已知的交替磁体中观测到超导性，但许多候选材料都是良好的金属，这意味着在低温条件下可能出现超导相。 如果未来能够在实验上实现，研究人员认为，超导交替磁体有望在不牺牲各自优势的情况下同时结合磁性与超导性，为低功耗自旋电子技术开辟新的发展路径。 Kyle Monkman et al, Persistent Spin Currents in Superconducting Altermagnets, Physical Review X (2026). DOI: 10.1103/52wh-1z5y |
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