本研究确定了一类具有自旋谷锁定的层状反铁磁体新材料，可以在不依赖自旋轨道耦合的情况下实现高效的自旋控制。

反磁铁是一种最近才被确认的材料类别，它们表现出与动量相关的自旋分裂，而无需自旋轨道耦合（SOC）或净磁化。这些材料最近引起了国际社会的关注。

香港科技大学（HKUST）物理系刘俊伟教授领导的研究团队与实验合作者携手在《自然·物理》期刊上发表了开创性的研究成果。他们报告了首个在室温下保持稳定的二维层状反铁磁体的实验观察结果，证实了刘教授于2021年在《自然·通讯》上发表的理论预测。

生成和控制自旋极化电子态的能力对于推动自旋电子学的发展至关重要，自旋电子学利用自旋来编码和处理信息。传统上，自旋极化是由电子自旋与其他属性（如轨道运动或磁场）的耦合产生的。这种耦合可以通过自旋轨道耦合（SOC）发生，自旋轨道耦合会导致缺乏反演对称性的晶体中出现动量依赖的自旋分裂（如Rashba–Dresselhaus效应所示），或者通过铁磁体中的时间反演对称性破缺发生，导致出现动量无关的塞曼型分裂。

刘教授及其同事在反铁磁体中提出了不同的机制。在此模型中，某些晶体对称性允许子晶格通过交换耦合相互作用，从而产生显著的自旋分裂。这种相互作用导致了一种独特的现象，即C对自旋谷锁定。

值得注意的是，这一机制并不依赖自旋轨道耦合或磁化。它提供了反铁磁系统的稳定性，同时延长了自旋寿命。这些非常规材料被命名为“另类磁体”。它们的发现被《科学》杂志评为2024年十大突破之一。

用于自旋电流设计的以往材料的局限性

尽管人们在探索基于α-MnTe、CrSb、MnTe₂和RuO₂等新兴材料的非常规反铁磁体方面付出了大量的理论和实验努力，但由于交替磁性，这些材料均无法满足非相对论自旋守恒自旋电流所需的对称性和导电性要求。α-MnTe和CrSb的磁亚晶格具有C3对称性，导致各向同性电导和非极化电流。

在MnTe2中，由于其非共面磁结构，自旋不被守恒，且其临界温度较低（87 K），限制了其实际应用。对于RuO2，尽管有反常霍尔效应和自旋分裂的证据，但其基态是反铁磁性还是非磁性仍存在争议。

此外，这些材料没有分层，这限制了它们通过剥离与其他材料结合以在微观层面控制性能的潜力。这一局限性阻碍了人们探索二维材料中的效应，例如通过超导邻近效应实现的拓扑超导体、通过栅极调控实现的可调电子特性以及莫尔超晶格。

因此，在反铁磁体中探索层状材料对于开发高密度、高速和低能耗的自旋电子器件至关重要。刘教授观察到了二维层状室温反铁磁体，为这一领域带来了新的曙光。

首个室温层状交替磁体被发现

基于刘教授团队于2021年对V₂Te₂O和V₂Se₂O做出的理论预测，本研究通过自旋和角分辨光电子能谱（Spin-ARPES）、扫描隧道显微镜/光谱（STM/STS）以及第一性原理计算，证明了在层状室温反铁磁（AFM）化合物Rb1-δV2Te2O中实现了C型配对自旋谷锁定（SVL）。

主要发现包括通过自旋角分辨光电子能谱（Spin-ARPES）测量直接观察到C配对自旋谷锁（SVL），这揭示了由晶体对称C连接的相邻X谷和Y谷之间相反的自旋极化符号。温度依赖性ARPES测量显示，SVL在高达室温的情况下仍然保持稳定，这与反铁磁（AFM）相变温度一致。

此外，角分辨光电子能谱（ARPES）测量证实，该材料具有强烈的二维特性，在kz方向上的色散可忽略不计，而扫描隧道显微镜（STM）图谱中的准粒子干涉图样则显示出由于自旋选择定则导致的谷间散射受到抑制。

刘教授的工作展示了第一个具有交替磁亚晶格和分裂自旋效应的新型分层室温反铁磁（AFM）金属，为自旋电子学和谷电子学领域的进一步研究和应用提供了理想平台。重要的是，所有实验结果与第一性原理计算结果高度吻合，增强了人们对理论工作的信心，并表明有可能获得自旋守恒电流和非传统压磁效应。在钾插层V₂Se₂O中也观察到了类似的自旋-谷锁定现象，进一步验证了刘教授2021年的理论预测。

参考文献：《层状室温金属反铁磁体候选材料中的晶格对称配对自旋-谷锁定》，作者：张昱远、程兴凯、殷周熠、刘畅超、邓立伟、乔羽晰、史峥、张书轩、林俊豪、刘正泰、叶茂、黄耀波、孟祥宇、张诚、冈田太一、岛田健也、崔胜涛、赵越、曹广寒、乔善、刘俊伟、陈超裕，发表于2025年3月31日，《自然·物理》。数字对象唯一标识符：10.1038/s41567-025-02864-2

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