从第一性原理出发：六方CrTe中由对称性驱动的交替磁性自旋分裂

为何这种隐藏的磁性重要

现代电子学主要利用电子的电荷，但电子自带的小磁矩——自旋——也可以承载信息。利用自旋的器件，即自旋电子学，有望带来更快、更冷且更节能的技术。然而，常用的磁性材料会产生干扰邻近元件的漏磁场。这项研究探索了常见化合物碲化铬（CrTe）中一种令人惊讶的磁态，能够产生强烈自旋极化的电流，同时整体磁化为零，使其成为未来基于自旋器件的有吸引力的平台。

一种没有“北极”的新型磁体

传统磁体，如冰箱贴，是铁磁体：原子自旋排列一致，形成明显的南北极。相比之下，反铁磁体的相邻自旋方向相反，因此总磁化相互抵消，通常留下很少可用的自旋信号。最近提出的“交替磁体”（altermagnets）打破了这一二分法。在交替磁体中，自旋仍然交替并在全局上抵消，但底层晶体对称性使得自旋相反的电子占据截然不同的能量通道。其结果是在能带结构中出现强烈的自旋分裂——类似于铁磁体——但净磁化仍为零，更像反铁磁体。这种不寻常的组合允许产生稳健的自旋电流而不会有破坏性的漏磁场。

重新审视碲化铬的磁性身份

CrTe是一种磁性随温度变化的知名材料：在高温下为顺磁（无序），在中等温度下为铁磁，而在低温通常被标注为反铁磁。作者使用基于密度泛函理论的先进量子力学模拟，重新检查了低温六方相的CrTe。他们建模了晶体中铬和碲原子的位点，并施加了一个共线自旋格局，使相邻的铬层携带相反的自旋。尽管总磁化被抵消，他们仍在动量空间的一条特定路径L′–Γ–L上发现了明显的自旋相关能带劈裂。这一约1电子伏特量级的分裂与已知的交替磁体（例如CrSb和MnTe）相当，表明CrTe属于同一类。

自旋分裂的来源

为了揭示该效应的微观起源，研究者解析了哪些原子轨道在与导电最相关的能量范围内有贡献。他们表明，铬的d轨道主导了费米能级上下方的态，而碲的5p轨道也在辅助作用中占有显著位置。能带结构的详细映射显示，自旋向上和自旋向下的能带在布里渊区中心呈镜像对称：一侧具有自旋向上特征的能带在另一侧对应自旋向下的能带。与此同时，自旋向上和自旋向下电子的总数保持相等，因此宏观磁化为零。作者还在实空间中可视化了电荷和自旋密度，发现铬原子上呈三叶状的d轨道类自旋分布，在相邻层之间发生旋转并改变符号。这种旋转加反演的对称性将晶体几何直接与动量空间中不寻常的自旋行为联系起来。

费米面上的自旋选择高速通道

除了单条能带之外，团队还分析了CrTe的费米面——导电态的集合。即使不包含自旋轨道耦合，他们也发现了显著的模式：在动量空间的一方向上，费米能级被某一自旋的能带更多次地穿越，而在相反方向上这种不平衡则相反。在三维上，费米面呈现三叶状的所谓g波自旋纹理，主导的自旋特征随着绕行晶体方向而交替。这种依赖动量的自旋纹理是交替磁性的典型指纹，意味着沿不同方向流动的电流可以自然地变得自旋极化，而无需外加磁场。

对未来器件的意义

综上所述，该研究表明六方相CrTe并非普通的反铁磁体，而是一种交替磁体：在净磁化为零的状态中存在大且由对称性保护的自旋分裂。关键的导电态主要由铬的d轨道与碲的p轨道杂化构成，并在费米面上形成自旋选择性的通道。由于CrTe在该相仍保持金属性，它原则上可以传输稳健的自旋电流，其方向和性质由晶体对称性编码，而不是由宏观磁场决定。这些特性使CrTe成为自旋电子学的有前景平台，旨在利用纯自旋电流进行信息处理，减少不希望的磁性干扰，同时在表面看似“无场”的材料内部仍能利用强烈的自旋效应。

引用: 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

关键词: 交替磁性, 碲化铬, 自旋电子学, 自旋分裂, 反铁磁材料