Exchange-Driven Chiral Magnons and Weyl States in Room-Temperature Metallic XCoB (X= Ta, Zr and Hf) Altermagnets
本研究识别了一类存在于正交晶系 XCoB（X = Ta, Zr, Hf）化合物中的室温金属交错磁体家族，该类化合物独特地与交换驱动的手性磁振子和外尔费米子共存，为同时实现磁振子手性和电子手性提供了一个无杂散场平台。
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在固体材料的世界里，磁性通常分为两种熟悉的阵营。一种是铁磁体，比如冰箱门上的铁，其中所有微小的原子磁矩都指向同一个方向，产生强大的吸引力以及延伸到周围空间的磁场。另一种是反铁磁体，其中原子磁矩指向相反的方向，它们完美地相互抵消，使得材料对外界表现出磁中性。几十年来，科学家们一直认为这是电子及其自旋在晶体内部排列方式的仅有的两种选择。然而，一种更新颖、更微妙的类别最近出现了，被称为交错磁体（altermagnet）。这些材料看起来像反铁磁体，因为它们没有净磁场，但在一个关键方面表现得像铁磁体：即使没有通常会导致此类效应的重原子帮助，通过它们的电子也会根据其自旋被分为两个截然不同的组。这种独特的排列有望彻底改变我们存储和处理信息的方式，但寻找能够展现这种行为的真实、稳定的材料，特别是那些能在室温下工作的材料，一直是一个重大挑战。
达卡大学的一个研究小组现在确定了一个完全符合这一描述、极具前景的新型材料家族。他们专注于由钴、硼和第三种金属元素（钽、锆或铪）组成的金属化合物组。通过基于量子力学定律的详细计算机模拟，科学家们发现这些形成特定晶体结构的材料确实是交错磁体。最令人兴奋的发现是，其中两种化合物（含有锆和铪的化合物）在远高于室温的温度下仍能保持其磁有序性，这使它们成为未来技术的实用候选材料。研究人员不仅识别了磁状态，还绘制了电子如何在这些材料中运动以及磁波（称为磁振子，magnons）如何传播的图谱。他们发现这些材料拥有一种罕见的特征组合：它们是金属，具有能使电子自旋分裂的特殊磁有序，并且拥有被称为外尔节点（Weyl nodes）的特殊能量结构点，这些节点与独特的电学性质相关联。
要理解这些材料为何特别，必须观察原子的排列方式及其相互作用。研究团队分析了这些硼化物的晶体结构，它们属于一种被称为正交晶系的特定几何家族。在这种排列中，钴原子形成一个网格，其磁矩指向交替的方向，从而创造出一个平衡的、零净磁化状态。然而，晶体的对称性使得它不仅仅是翻转自旋；相反，它以一种打破常规对称规则的方式旋转了自旋。这种特定的排列允许电子在材料中运动时，“上”自旋和“下”自旋的能量水平发生分离或分裂。研究人员计算出，这种分裂非常显著，在某些情况下达到 200 毫电子伏特以上，足以被轻易检测和利用。这种分裂并非随机，而是由晶体几何形状决定的精确模式，创造了一个不同自旋的电子沿不同路径运动的景观。
该研究还深入探讨了磁振子的行为，即在材料中传播的集体磁性波，类似于声波在空气中传播。在大多数磁性材料中，这些波成对出现，且能量相同。但在这些新型交错磁体中，研究人员发现这些波分裂成了两个具有不同能量的独特分支，这种现象被称为手性磁振子分裂（chiral magnon splitting）。这是因为钴原子之间的磁力并不完全相同；具体而言，在晶格中相隔六步的原子之间的相互作用取决于它们所走的路径。这种连接原子在一起的磁性“胶水”的细微差异，足以提升磁振子波的能量简并度。团队计算出这种分裂高达 3.10 毫电子伏特，这一数值足以通过被称为非弹性中子散射的技术进行测量，该技术涉及利用中子撞击材料以观察其振动情况。
这项发现最关键的方面之一是这些材料保持磁性的温度。研究人员使用了一种称为蒙特卡洛模拟的方法，即通过运行数千次虚拟实验来观察材料随温度升高时的行为。他们发现，含有钽的化合物在约 67 开尔文的相对较低温度下就会失去磁有序性，这远低于冰点。然而，含有锆和铪的化合物则更为稳健。基于锆的材料在高达 33er 330 开尔文的温度下仍保持磁性，而基于铪的材料则能保持到 307 开尔文。由于室温约为 293 开尔文，这意味着锆和铪化合物在日常环境中是稳定且可用的，对于任何旨在用于电子设备的磁性材料来说，这是一个罕见且宝贵的特性。
除了磁学性质外，这些材料还表现出使其更加有趣的拓扑特征。当研究人员引入自旋-轨道耦合（电子自旋与其运动之间的相对论性相互作用）的影响时，他们发现电子的能带在特定点处相互交叉，形成了所谓的外尔节点。这些节点就像材料电子景观中某种特殊曲率的源头和汇点。由于这种结构，预计这些材料会产生强烈的反常霍尔效应（anomalous Hall effect），即电流流经材料时会在垂直于流向的方向产生电压，且无需外部磁场。计算出的这种效应强度非常显著，可达数百个电导单位，这表明这些材料在将热流或自旋流转化为电信号方面可能具有极高的效率。
研究人员还追溯了这些性质的微观起源，将其归因于原子连接的具体方式。他们发现，磁振子波的分裂是由钴原子之间长程相互作用驱动的，这些原子在晶体内部相距甚远。这些相互作用由中间的硼原子和第三种金属原子介导。在锆和铪化合物中，通过硼原子的路径创造了一个铁磁性连接，而通过金属原子的路径则创造了一个反铁磁性连接。由于这两条路径在长度或原子排列上并不相同，它们施加了略微不同的力量，正是这种差异驱动了独特的磁振子手性分裂。这种对原子尺度力量的详细理解，为未来如何设计类似的材料提供了蓝图。
总之，这项工作确定了一类新型金属交错磁体，它们结合了零净磁化、大自旋分裂以及室温稳定性。在锆和铪硼化物中发现这些性质，提供了一个电子手性和磁性手性可以在没有杂散磁场干扰的情况下共存的单一平台。这种双重能力，辅以外尔节点和强反常霍尔响应，使这些材料成为下一代自旋电子器件的有力竞争者。这些发现基于严谨的第一性原理计算和模拟，为实验学家在实验室中合成和测试这些化合物提供了坚实的理论基础。如果能在实验中得到证实，这些材料可能会为开发可在室温下运行的超快、高能效技术开辟新途径，从而弥合基础量子物理学与实际工程学之间的鸿沟。
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