近日，南方科技大学物理系刘奇航教授课题组在铁电与非常规磁性领域取得进展。他们首次提出并验证了“铁电可切换交错磁性”效应，通过翻转铁电极化实现交错磁性自旋劈裂的自由调控，为开发全电控多铁性器件开辟了新方向。相关研究成果以“Ferroelectric Switchable Altermagnetism”为题作为编辑推荐论文（Editors’ Suggestion）发表于期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters），并被美国物理协会《物理》杂志以“Altermagnets that Turn On and Off”为题进行了物理学精选（Featured in Physics）报道。

多铁材料是一类同时具有铁电性和磁有序性的多功能材料。传统的多铁材料通常被分为两大类：在I类多铁材料中，铁电性源于晶体对称性破缺引起的原子轨道退简并，其自发极化与磁有序之间的磁电耦合较弱。II类多铁性通过引入自旋轨道耦合（如 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用）建立磁序-电极化的直接关联，理论上可实现高磁电耦合系数。然而，大部分过渡金属化合物体系中自旋轨道耦合强度相对较弱（约10 meV量级）,导致难以获得磁电耦合系数较大的材料。最近，交错磁体作为一种广受关注的独特非常规磁体，其兼具反铁磁体的零净磁矩和铁磁体的自旋劈裂能带性质，被视为下一代自旋电子器件的理想候选材料。然而，如何实现电场对交错磁性的非易失性调控一直是领域内难题。由于交错磁性不依赖于自旋轨道耦合，因此能否找到一类不同于II类多铁性的新型磁电耦合机制成为了一个重要的课题。

图1. 铁电可切换交错磁体示意图

针对这一科学问题，刘奇航教授团队创新性地提出“铁电可切换交错磁性”概念，通过自旋群对称性分析，揭示了铁电极化与交错磁性自旋劈裂的协同耦合机制。如图1所示，通过外电场切换铁电极化P时，动量空间中劈裂能带对应的自旋也被同时翻转。这一磁电耦合现象无需改变材料的反铁磁序，是通过电场与材料的形变模式耦合实现的。研究团队从 MAGNDATA 数据库的2001种实验磁性结构中筛选出22种潜在铁电交错磁体，并进一步锁定两种可通过电场切换自旋劈裂的候选材料——钙钛矿氧化物 Ca₃Mn₂O₇和金属有机框架材料 Cr-MOF（[C(NH₂)₃]Cr(HCOO)₃）。以 Cr-MOF 为例，理论计算表明其铁电极化反转可导致价带顶自旋劈裂符号翻转，最大自旋劈裂的能量差达20 meV，且实现铁电翻转的能量势垒仅为0.1 eV，具备实验可操作性。

图2. 基于铁电可切换交错磁体的同质自旋隧道结器件示意图

基于铁电可切换交错磁体模型，研究团队设计了一种同质自旋隧道结器件（图2）。通过电场翻转自由层的铁电极化，可使自由层与固定层的自旋极化费米面匹配度发生切换，从而实现高达53%的巨磁阻效应。这一机制无需传统反铁磁自旋电子学器件中反铁磁序的翻转过程，显著降低了器件能耗。此外，研究团队还提出利用线性偏振光致自旋电流检测交错磁性的切换。理论分析表明，Cr-MOF 的非零贝里曲率偶极子在3.2 eV 光子能量下可产生0.23 µA/V² 的直流自旋电流，且自旋流的符号随铁电极化反转而改变，为实验验证提供了可行方案。

该研究通过自旋群理论发现了一类新型的、基于非常规磁性的的磁电耦合机制，为发展基于磁电动力学的非易失存储器、电场调控自旋电子器件提供了新体系设计思路。

论文的第一作者为南方科技大学研究副教授顾铭强，通讯作者为刘奇航和意大利拉奎拉大学教授 Alessandro Stroppa。南科大为论文的第一单位。该研究获得了国家自然科学基金、科技部重点研发专项、广东省重点实验室等项目支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.106802

《物理》杂志的物理学精选报道：https://physics.aps.org/articles/v18/58

供稿：物理系

通讯员：许馨文

主图：丘妍

编辑：曾昱雯