最近一篇发表在《自然》杂志上的论文，利用光电子能谱和从头计算的方法，发现了一种新的磁性相，叫做交替磁性相（altermagnetic），它可以在没有净磁化和反演对称性破缺的情况下，实现克拉默斯自旋简并的消除。这是一个非常重要的发现，因为它揭示了一种新的对称性破缺的机制，可能导致一些新奇的物理现象和应用。
那么，什么是克拉默斯自旋简并呢？为什么它的消除是有意义的呢？我们先来回顾一下一些基本的物理概念。你们可能都知道，电子是一种具有自旋的费米子，它的自旋可以取两个值，分别用上箭头和下箭头表示。如果我们把电子放在一个晶体中，它的能量就会受到晶体的势能的影响，形成一些允许的能级。如果晶体具有反演对称性，那么根据量子力学的对称性原理，每个能级都会有两个简并的态，分别对应于自旋向上和向下的电子，这就是克拉默斯定理的内容。克拉默斯定理告诉我们，反演对称性保证了自旋简并的存在。
那么，如果我们想要消除自旋简并，我们就需要破坏反演对称性。这可以通过两种方式实现。一种是在晶体中引入磁化，也就是说，让电子的自旋有一个优先的方向。这样，自旋向上和向下的电子就会受到不同的磁场作用，导致能级发生分裂。这种情况下，自旋简并的消除是由于时间反演对称性的破缺，因为磁场会改变电子的运动方向。这种机制在铁磁体中是很常见的，而且效果很强，因为磁化是由非相对论的交换作用产生的，它是一种很强的相互作用。
另一种是在晶体中引入自旋轨道耦合，也就是说，让电子的自旋和轨道运动有一个耦合的关系。这样，自旋向上和向下的电子就会受到不同的晶体势能的影响，导致能级发生分裂。这种情况下，自旋简并的消除是由于空间反演对称性的破缺，因为自旋轨道耦合会改变电子的空间分布。这种机制在非中心对称的晶体中是很常见的，但是效果很弱，因为自旋轨道耦合是由相对论效应产生的，它是一种很弱的相互作用。
那么，这两种机制是不是就是唯一的方式呢？有没有可能在一个中心对称且无磁化的晶体中，也能实现自旋简并的消除呢？这就是这篇论文要探讨的问题。作者发现了一种新的磁性相，叫做交替磁性，它可以在没有净磁化和反演对称性破缺的情况下，实现克拉默斯自旋简并的消除。这是怎么做到的呢？我们来看看他们的实验和理论。
研究人员选择了一种叫做MnTe的晶体作为研究对象。这种晶体具有六方晶系的结构，它是中心对称的，也就是说，它具有反演对称性。它的磁性是由于其中的锰（Mn）原子的自旋排列，它们形成了一个复杂的反铁磁序。这种反铁磁序在低温下是稳定的，但是在高温下会发生相变，变成一种无序的顺磁相。这种相变的温度叫做居里温度，对于MnTe来说，它大约是307K。
论文作者使用了一种叫做光电子能谱的技术，来测量MnTe的电子能带结构。光电子能谱是一种利用光子激发电子逸出晶体表面的方法，通过测量逸出电子的能量和角度，可以得到晶体内部电子的能量和动量的分布。作者使用了一种叫做同步辐射的光源，它可以产生高能量和高亮度的X射线，从而可以激发出深层的电子，而不仅仅是表面的电子。这样，可以得到更完整和更准确的能带结构。
作者发现，在低温的反铁磁相中，MnTe的能带结构出现了明显的自旋分裂，也就是说，自旋向上和向下的电子的能级不一样。这意味着，克拉默斯自旋简并被消除了。但是，这种自旋分裂并不是由于时间反演对称性的破缺，因为MnTe没有净磁化，也没有外加磁场。也不是由于空间反演对称性的破缺，因为MnTe是中心对称的，也没有外加电场。那么，这种自旋分裂是由什么原因造成的呢？
作者通过从头计算的方法，对MnTe的电子结构进行了理论模拟。从头计算是一种基于第一性原理的数值计算方法，它可以根据晶体的原子位置和电子相互作用的基本规律，来计算晶体的电子结构。作者发现，MnTe的自旋分裂是由于一种叫做交替磁性的相互作用，它是一种超越自旋轨道耦合的新的对称性破缺的机制。
交替磁性是指，在一个中心对称且无磁化的晶体中，电子的自旋和晶体的晶格振动有一个耦合的关系，这种耦合会导致电子的自旋在不同的晶格位置有不同的取向，从而实现自旋简并的消除。这种耦合是由于晶格振动引起的晶体的局域反演对称性的破缺，也就是说，虽然整个晶体是中心对称的，但是在局部的尺度上，晶体的结构会发生微小的变化，这些变化会影响电子的自旋。这种机制在高温的顺磁相中也存在，但是效果很弱，因为晶格振动的幅度很小，而且电子的自旋是无序的。
这个发现对于磁性物理的发展有什么意义呢？首先，它拓展了我们对磁性相的认识，让我们知道了除了传统的铁磁相和反铁磁相之外，还有一种新的磁性相，它有着独特的自旋对称性和自旋分裂机制。其次，它激发了我们对交替磁相的探索和利用，让我们有了一种新的手段来调控自旋自由度，从而实现一些新的物理效应和技术应用。
热门跟贴