Спиновый сплиттинг альтермагнетизма в гексагональном CrTe из первых принципов

Почему этот скрытый магнит важен

Современная электроника в основном использует заряд электронов, но их спин — крошечный встроенный магнит — также может нести информацию. Устройства, использующие спин, в области, известной как спинтроника, обещают более быстрые, холодные и энергоэффективные технологии. Однако обычные магнитные материалы создают паразитные магнитные поля, которые мешают соседним компонентам. В этой работе исследуется неожиданный магнитный режим в распространённом соединении — теллуриде хрома (CrTe), который способен генерировать сильно спин‑поляризованные токи при отсутствии суммарной намагниченности, что делает его привлекательной платформой для будущих спиновых устройств.

Новый тип магнита без северного полюса

Традиционные магниты, например магнит на холодильнике, являются ферромагнетиками: их атомные спины выстраиваются, образуя явные северный и южный полюса. Антиферромагнетики, напротив, имеют соседние спины, направленные в противоположные стороны, поэтому их намагниченность компенсируется, и обычно это оставляет мало спинового сигнала для использования. Недавно предложенный класс «альтермагнетов» ломает эту дихотомию. В альтермагнетах спины по-прежнему чередуются и компенсируются в глобальном масштабе, но кристаллографическая симметрия заставляет электроны с противоположными спинами занимать существенно разные энергетические траектории. В результате возникает сильно спин‑зависимое расщепление зоны — похожее на таковое в ферромагнетике — при нулевой суммарной намагниченности, как у антиферромагнетика. Это необычное сочетание позволяет получать устойчивые спиновые токи без нарушающих работу паразитных полей.

Переосмысление магнитной природы теллурида хрома

CrTe — хорошо известный материал, чья магнитность меняется с температурой: при высокой температуре он параметагнитен (неупорядочен), при умеренных температурах — ферромагнетик, а при низких его обычно относят к антиферромагнетикам. Используя продвинутые квантово‑механические расчёты на основе теории функционала плотности, авторы заново исследовали низкотемпературную гексагональную фазу CrTe. Они смоделировали положения атомов хрома и теллура в кристалле и задали коллинеарный спиновый порядок, при котором соседние слои хрома несут противоположные спины. Несмотря на общую компенсацию намагниченности, они обнаружили большие спин‑зависимые расщепления в электронных зонах вдоль определённого пути в пространстве импульсов, помеченного L′–Γ–L. Это расщепление порядка 1 электрон‑вольта сравнимо с известными альтермагнетами, такими как CrSb и MnTe, что указывает на то, что CrTe принадлежит к тому же семейству.

Откуда берётся спиновое расщепление

Чтобы выяснить микроскопическое происхождение этого эффекта, исследователи проанализировали, какие атомные орбитали вносят вклад в области энергии, наиболее важные для проводимости. Они показали, что d‑орбитали хрома доминируют в состояниях непосредственно ниже и выше уровня Ферми, при этом 5p‑орбитали теллура также играют заметную вспомогательную роль. Детальные карты зоны показывают, что ветви с спином вверх и вниз являются зеркальными относительно центра зоны Бриллюэна: полосы со спиновым характером «вверх» на одной стороне соответствуют полосам со спином «вниз» на другой. При этом общее число электронов со спином «вверх» и «вниз» остаётся одинаковым, так что макроскопическая намагниченность равна нулю. Авторы также визуализировали плотности заряда и спина в реальном пространстве, обнаружив тридольные, похожие на d‑орбитали спиновые узоры на атомах хрома, которые поворачиваются и меняют знак между соседними слоями. Эта симметрия «поворот‑плюс‑инверсия» напрямую связывает геометрию кристалла с необычным поведением спина в пространстве импульсов.

Спин‑селективные «магистрали» на поверхности Ферми

Помимо отдельных полос, команда проанализировала поверхность Ферми CrTe — набор состояний, проводящих ток. Даже без учёта спин‑орбитального взаимодействия они обнаружили поразительную картину: вдоль одного направления в пространстве импульсов уровень Ферми пересекается чаще полосами одного спина, чем другого, а по противоположному направлению этот дисбаланс меняется на обратный. В трёхмерном представлении поверхность Ферми демонстрирует клевероподобную, так называемую g‑волновую спиновую текстуру, где доминирующий спиновый характер чередуется при обходе кристаллографических направлений. Эта импульсно‑зависимая спиновая текстура является отличительным отпечатком альтермагнетизма и означает, что электрические токи, протекающие в разных направлениях, могут естественным образом становиться спин‑поляризованными без какого‑либо внешнего магнитного поля.

Что это значит для будущих устройств

Сложив всё вместе, исследование показывает, что гексагональный CrTe — не просто обычный антиферромагнетик, а альтермагнет: он содержит большое, симметрией защищённое спиновое расщепление в состоянии с нулевой суммарной намагниченностью. Ключевые проводящие состояния в основном построены из d‑орбиталей хрома, гибридизованных с p‑орбиталями теллура, и образуют спин‑селективные каналы на поверхности Ферми. Поскольку CrTe остаётся металлическим в этой фазе, он теоретически может проводить устойчивые спиновые токи, направление и характер которых закодированы в симметрии кристалла, а не в макроскопическом магнитном поле. Эти свойства делают CrTe перспективной платформой для спинтронных технологий, стремящихся использовать чистые спиновые токи для обработки информации, уменьшая нежелательные магнитные помехи и при этом используя сильные спиновые эффекты в на вид «без‑поле» материале.

Цитирование: Singh, R., Huang, HL., Lai, CH. et al. Symmetry driven altermagnetic spin splitting in hexagonal CrTe from first principles. Sci Rep 16, 10458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38641-1

Ключевые слова: альтермагнетизм, теллурид хрома, спинтроника, спиновый сплиттинг, антиферромагнитные материалы