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近日，北京理工大学物理学院姚裕贵教授团队中的余智明教授等人和河北工业大学张小明教授课题组合作，在交错磁拓扑半金属研究中，提出了一种全新的、方向依赖的准一维自旋输运。该工作以“Quasi-One-Dimensional Spin Transport in Altermagnetic Z³ Nodal Net Metals”为题发表于物理学顶级期刊《Physical Review Letters》，并被选为编辑推荐。

自旋电子学领域的核心之一是揭示全新的、与自旋相关的磁阻和输运现象。同时，在输运研究中一直有一个传统观念：准一维的输运是由实空间中的强各向异性引起，通常只会出现在具有准一维链状结构的体系中。但是，直接决定体系输运物性的是体系在动量空间中的能带结构，而不是其在实空间中的晶体结构。该物理机制虽然直观且早已为大家熟知，但在低维输运研究中却经常被忽视。

在本研究中，河北工业大学张小明教授课题组与北京理工大学余智明教授等人展开合作，超越传统概念，通过结合交错磁性和Z³拓扑节线，提出了全新的、不需要链状结构的准一维自旋输运。交错磁和传统反铁磁一样是磁性材料但没有净磁矩，但交错磁在不考虑自旋轨道耦合的情况下具有很强的自旋分裂。Z³拓扑节线是一种穿过整个三维布里渊区的特殊节线，其拓扑特征可以用三个整数（n _x ，n _y ，n _z ）来表示，其中每个整数表示节线在布里渊区中围绕相应方向缠绕的次数。由于特殊的能带色散，一个理想的Z³节线：也即在动量空间没有弯曲且在能量空间没有起伏的节线能够产生准二维的输运，如图1（a）所示。此外，两条理想的Z3节线可以构成了一个交叉的Z³节线，并将导致准一维的输运，如图1（b）所示。这些低维输运完全是由节线的色散所导致的，并不要求体系具有层状或链状结构。

图1  (a) 理想的Z³节线（n_z = 1）和 (b) 理想的交叉Z³节线（n_x= 1, n_z = 1）的示意图。从左到右的图形分别表示节线的形状、能带结构和费米面。

交错磁和理想交叉Z³节线的结合为实现全新的、准一维自旋输运提供了一种新的可能。通过第一性原理计算, 研究发现交错磁性材料β-Fe₂(PO₄)O、Co₂(PO₄)O和LiTi₂O₄在两个自旋通道的费米面附近都均具有理想的交叉Z³节线，如图2-3所示。这两个自旋极化的Z³交叉节线由C_4zT对称性相连接，并在布里渊区边界处相互接触，形成一种新的交错磁性的Z³拓扑节线网，如图3所示。因此，上述三种材料在每个自旋通道中都表现出准一维的、自旋极化的电子输运，并且这两个准一维的自旋极化电流的主要移动方向是正交的，从而形成全新的、方向依赖的、准一维自旋输运，如图4所示。这项研究工作不仅扩展了人们对准一维输运的理解，还为探索拓扑和磁性之间耦合的新奇物理提供了一个理想的材料平台。

图2  (a) β-Fe₂(PO₄)O 的晶胞和 (b) 原胞。红色和蓝色箭头分别表示上自旋和下自旋的磁矩。(c) 表示布里渊区。

图3  (a) β-Fe₂(PO₄)O的能带结构和投影态密度。绿色高亮区域表示Z³交错磁性的节线网出现的能量区间。(b) 上自旋和下自旋通道中Z³交叉节线的形状。这两条Z³交叉节线形成了一个Z³节线网。(c) 在 k_z = 0 平面上，上下自旋通道的Z³节线形状，如 (b) 中的箭头所示。

图4  在(a)上自旋和(b)下自旋通道中 β-Fe₂(PO₄)O化合物的电子电导率（左轴）和（右轴）。绿色阴影为交错磁性的Z³节线网出现的区域。

北京理工大学物理学院的余智明教授和河北工业大学的张小明教授为论文的共同通讯作者、何婷丽博士后和黎磊博士后为论文的共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金和中国博士后基金等项目的大力支持。

文章信息：

Tingli He,# Lei Li,# Chaoxi Cui, Run-Wu Zhang, Zhi-Ming Yu,* Guodong Liu, and Xiaoming Zhang*; “Quasi-One-Dimensional Spin Transport in Altermagnetic Z³ Nodal Net Metals”, Physical Review Letters 133, 146602 (2024).