Symmetry-selective nonrelativistic spin splitting in antiferromagnets driven by coherent phonons

在现代电子技术的领域中，对信息流的控制往往依赖于磁性。传统设备使用像铁这样的材料，其中微小的原子磁体全部指向同一个方向，从而产生一个可以被轻易操纵的净磁场。然而，这种磁场也是一种负担；它会产生干扰，并且需要大量的能量来切换状态。科学家们长期以来一直寻求一种方法，既能利用电子的自旋——即它们的固有角动量，其作用类似于一个微小的内部指南针——又无需承担净磁场的包袱。这就是反铁磁体的承诺，这类材料中相邻的原子磁体指向相反的方向，从而使彼此完美抵消。虽然这些材料对外部磁场是“隐形”的，且非常适合超高速、低功耗计算，但由于其内部有序性如此稳定且隐蔽，它们在历史上一直难以控制。最近的一项突破涉及找到一种方法，可以在这些材料中分离具有相反自旋的电子能级，这一过程被称为非相对论性自旋分裂，它允许在不需要传统磁性那种沉重机械的情况下操导电子流。

研究人员现在展示了一种方法，可以通过原子尺度的声波在反铁磁体中动态地诱导并控制这种分裂。在一项针对名为锰磷三硫化物（manganese phosphorus trisulfide）的分层晶体进行的研究中，科学家们展示了通过特定模式的光来使材料发生振动，从而可以暂时打破维持电子自旋相等的对称性。这一过程并不依赖于材料的自然磁状态，而是由原子被“摇晃”的精确方式驱动的。研究人员发现，用于摇晃原子的光的方向就像一个开关，决定了哪种类型的自旋行为会出现。通过将光瞄准一个方向，他们创造了一个自旋向上和自旋向下的电子能量差在所有地方都存在的状态，包括在材料动量图的中心。通过将光瞄准垂直方向，他们创造了另一种不同的状态，即这种能量差在中心处消失，但在其他方向上表现强烈，这种模式是被称为“交错磁体”（altermagnets）的新发现磁性材料类别的特征。

该研究依赖于这种晶体中的原子在受到光照射时可以以特定的、协调的方式进行振动。研究人员专注于两种在约 4.5 太赫兹频率下发生的截然不同的振动，这个速度对于人类耳朵来说太快而无法听到，但完美契合了晶体原子的自然节奏。这些振动是“红外活性”的，这意味着原子的运动方式允许它们直接吸收光能。团队使用第一性原理计算来模拟当这些振动被冻结在原地时会发生什么，实际上是在创造一个晶体发生畸变时的快照。他们发现，尽管这两种振动的速度相似，但它们移动原子的模式有着本质的区别。一种振动推动锰原子，朝着破坏所有相反磁层之间对称连接的方向运动。另一种振动移动原子的方式则保留了这些层之间特定的镜像对称性。

这种对称性的差异决定了电子的行为。当振动破坏了相反磁层之间的所有连接时，具有相反自旋的电子会在整个材料中发生能量分离，产生均匀的分裂。这被描述为 s 波态，即效应在所有方向上都是一致的。相比之下，当振动保留了镜像对称性时，能量分裂的表现则不同。它在动量图的最中心处为零，但随着你向外移动，它会变得越来越大，并在跨越某些线时改变符号。这创造了一个 d 波模式，它是交错磁体状态的特征。研究人员计算出，对于 0.05 埃的振动振幅，自旋之间的能量差达到约 50 到 100 毫电子伏特，这是一个可以被电子设备检测并利用的显著偏移。至关重要的是，这种能量分裂的大小随振动强度线性增长，这意味着可以通过调节光的强度来简单地调节该效应。

这种方法的威力在于其选择性和速度。由于两种振动对不同方向偏振的光做出反应，科学家只需通过旋转入射光束的偏振方向，就可以选择要创造哪种电子状态。如果光沿一种方向偏振，就会出现均匀的 s 波态；如果将其旋转 90 度，定向的 d 波态就会占据主导。此外，由于振动是由相干光脉冲驱动的，原子的位移方向会快速地前后翻转。这导致诱导的自旋分裂会与振动同步，以振动的频率发生正负号的反转。这表明，有可能在太赫兹速度下进行不同自旋状态之间的切换，这比目前的电子开关运行得快得多。研究证实，这些效应主要是由于晶格的机械畸变而非相对论效应引起的，这使得该现象稳健且可预测。

这些发现建立了一条在无需静态磁场或化学变化的情况下控制反铁磁体中自旋的新路径。通过使用光来驱动特定的原子振动，研究人员可以动态地设计材料的电子特性，将其转变为一个可切换的自旋过滤器。仅通过改变光的角度就能在均匀自旋分裂态和定向交错磁态之间进行选择，这为未来的自旋电子器件提供了一个多功能工具。这项工作表明，材料内部结构的对称性可以暂时通过声波被“重写”，这为开发基于此前被认为由材料自然状态所固定的原理的超高速、低功耗电子技术打开了大门。这种方法为在下一代计算硬件中操纵信息流提供了直接途径，而在这些硬件中，速度和能量效率至关重要。