近日，南方科技大学物理系与量子科学与工程研究院副教授刘奇航课题组通过理论研究，在反铁磁材料的自旋极化及非互易输运这一研究领域取得进展。有关成果以“Role of Hidden Spin Polarization in Non-reciprocal Transport of Antiferromagnets”为题发表于期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

自旋极化这一概念是构成自旋电子学的重要基石。近些年来，在一类空间反演对称性破缺的材料中，由自旋轨道耦合效应引起的动量锁定自旋极化，如Rashba效应，正在促进着新一代自旋电子学器件的发展。而在更多具有整体空间反演对称性的材料中，人们发现局部的空间反演破缺也能引起所谓的“隐藏自旋极化”，即实空间上呈奇函数分布的自旋极化。这一发现有望扩大可利用的自旋电子学材料库。然而，如何探测以及有效利用隐藏自旋极化效应是这个领域的一大难题。由于非磁材料中的隐藏自旋极化在实空间和动量空间上都是呈奇函数分布的，这使其只能被同时具有空间和动量分辨能力的实验手段（如自旋角分辨光电子能谱）测量。2021年，刘奇航课题组联合量子科学与工程研究院陈朝宇课题组通过该实验技术发现了具有自旋-动量-晶层锁定的高隐藏自旋极化材料BiOI（https://newshub.sustech.edu.cn/html/202109/41249.html）。然而，自旋电子学在实用性方面要求对隐藏自旋极化有更为直接的探测或应用手段，如电学输运测量等等。

通常，人们先通过施加外电场等手段打破材料的宏观空间反演对称性，使得隐藏自旋极化在能量上分裂开来，再进一步构建自旋场效应晶体管等应用。在本研究中，刘奇航课题组创新性地提出了利用隐藏自旋极化耦合另一个空间上奇函数分布的物理性质，如反铁磁聂耳序、隐藏贝里曲率、隐藏轨道极化等等，这可以在不破坏材料宏观对称性的情况下获得宏观可测量的物理量。其中，引入反铁磁不仅能耦合出实空间上偶对称分布的物理量，还因为磁性的介入（时间反演破缺）而打破动量空间的奇对称分布。据此，研究团队预言了由隐藏自旋极化引起的反铁磁材料中非互易非线性电流输运现象。

如图1所示，在反铁磁材料的每个子晶格中，沿正向和反向输运的载流子由于隐藏自旋极化效应，分别携带方向相反的自旋极化，因此被局域磁矩散射的强度不同。这导致了沿正反两个方向的电导也是不同的，此即非互易输运。同时，由于载流子自旋极化与局域磁矩的共同反向，两个不同子晶格中的非互易电输运效果为叠加，而不是相消。当聂耳矢量翻转180度时，局域空间反演破缺所引起的隐藏自旋极化方向并不会发生变化，这使得非互易输运信号的符号翻转。因此，通过非线性输运测量，隐藏自旋极化可被用于探测聂耳序，这将促进反铁磁自旋电子学的发展。

研究团队通过哈密顿模型分析发现隐藏自旋极化与聂耳序的耦合导致能带在相反动量上具有非对称特性，并利用推广的玻尔兹曼方程推导发现，在弛豫时间近似下的外禀二阶非线性电导与这种非对称特性的关联。随后，研究团队基于密度泛函理论发展了非线性电导的第一性原理计算方法，并以反铁磁材料CuMnAs、Mn₂Bi₂Te₅为例，在计算上验证了以上设想。该研究进一步获得了高效非线性电流材料器件的设计原理，包括非点式对称性保护的高隐藏自旋极化、能带交叉、以及准二维结构特征等。

图1反铁磁中隐藏自旋极化与聂耳序耦合引起非互易输运示意图

南方科技大学物理系博士后陈伟钊为论文第一作者，刘奇航为通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。本课题的开展与完成获得了科技部重点研发计划青年项目、国家自然科学基金、广东创新创业团队项目、广东省计算科学与新材料设计重点实验室、南方科技大学计算科学与工程中心等项目与部门的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.276601

供稿：物理系

通讯员：许馨文

主图：丘妍

编辑：曾昱雯