近日，重慶大學許東輝教授課題組在“交錯磁性”這一前沿研究領域取得新的突破性進展。該團隊提出了“自旋-軌道交錯磁性”的框架，旨在不依賴自旋軌道耦合情況下，實現對電子自旋與軌道自由度的協同調控。相關研究成果以“Spin-Orbital Altermagnetism”為題，發表于國際頂級物理學期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters) 【Phys. Rev. Lett. 135, 176705 (2025)】。這項工作是該課題組繼提出利用拓撲絕緣體異質結中的“交錯半量子化霍爾效應”作為探測交錯磁體動量空間自旋極化“探針”的方案后【Phys. Rev. Lett. 135, 096602 (2025)】，又一重要理論進展。

此項研究由重慶大學、浙江大學、合肥國家實驗室和美國田納西大學研究者共同完成，重慶大學為第一作者和通訊作者單位。重慶大學物理學院博士生王梓名和美國田納西大學Zhang Yang博士為論文共同第一作者。通訊作者包括重慶大學許東輝教授、浙江大學胡侖輝研究員、合肥國家實驗室張松波研究員和美國田納西大學Zhang Yang博士。論文作者還包括美國田納西大學Elbio Dagotto教授和寧波大學孫金華副教授。 

圖1：波超導體與常規磁體、波超導體與波交錯磁體類比示意圖。

圖片來自：L. ?mejkal, et al, Phys. Rev. X 12, 040501 (2022).

長期以來，物理學對磁性物質的認知主要建立在鐵磁（所有磁矩同向排列，產生宏觀磁性）和反鐵磁（相鄰磁矩反向排列，宏觀磁性抵消）兩大框架之上。近年來發現的交錯磁性（Altermagnetism）作為第三種基本磁序，徹底改變了這一傳統版圖。該類材料兼具兩者的優點：既像反鐵磁體一樣凈磁矩為零，對外界雜散磁場不敏感，又像鐵磁體可在動量空間中產生獨特的非相對論性電子自旋劈裂。這種動量空間中交替變化的自旋極化（如d波、g波對稱性），使其成為非常規超導體的“磁性鏡像”，揭示了凝聚態物理中深刻的對稱性關聯（圖1）。

然而，在電子的另一個基本自由度——軌道——與自旋之間建立聯系，通常依賴于相對論性的自旋-軌道耦合效應。如何在非相對論框架下，實現自旋與軌道自由度的交織，構筑全新的量子紋理，是該領域一個懸而未決的核心問題。

圖2：自旋-軌道交替磁體晶格示意圖，及其動量空間波、波自旋-軌道紋理。

針對這一核心問題，研究團隊構建了“自旋-軌道交錯磁性”理論體系。該理論的核心是在多軌道系統中引入一個直接耦合自旋與軌道的磁有序，從而在不依賴相對論效應的前提下，產生具有自旋-軌道紋理的新型交錯磁體（圖2）。研究揭示了實現該物態的兩種不同的物理途徑：內稟機制——源于電子相互作用導致自發宇稱-時間反演聯合對稱性破缺的自旋-軌道磁序；外稟機制——與Jahn-Teller畸變等晶格結構相變所導致的平移對稱性破缺相關。

圖3：波自旋-軌道交錯磁體中自旋-軌道紋理的極化率和自旋分辨軌道極化的信號。

研究團隊還提出，可通過測量自旋電導與自旋分辨的軌道極化等物理量（圖3），來區分不同類型的自旋-軌道交錯磁體。此外，理論還預測，在特定條件下，該體系可誘導出微弱的凈磁化（弱鐵磁性），并伴生反常霍爾效應，為實驗觀測提供了便捷而有力的“指紋”信號。

這項工作豐富了交錯磁性的物理內涵和分類，為探索自旋與軌道自由度鎖定的物理現象開辟了一個新的、基于非相對論機制的廣闊平臺。

該工作得到了國家自然科學基金、重慶自然科學基金和中央高校基本科研等項目的資助。

文章鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/cjzw-j4v7 

來源：物理學院