交变磁性（altermagnetism）是一种近年来提出的第三类基本磁相，它既有反铁磁体的零净磁场，也具有铁磁体的自旋劈裂现象，而这两者通常被认为是不相容的。由于交变磁性兼具铁磁性和反铁磁性的优势，这一发现为制造自旋电子器件带来了新的希望和突破口，在磁存储和量子计算中展现出具大的应用前景。

在众多潜在的交变磁性材料中，金红石结构的RuO₂因其特殊的晶体对称性，以及理论预测中的高达1.4 eV的能带劈裂，最早被认为是实现交变磁性特征的主力理想候选材料之一。但同时，实验上对RuO₂是否是磁性材料也争议不断。在本研究中，研究团队运用上海光源BL03U高分辨角分辨光电子能谱（ARPES）技术，同时对RuO₂高质量单晶和外延薄膜的电子结构进行了深入详细全面的探究。研究团队对RuO₂电子结构的深入分析发现其与基于非磁性基态的理论计算特征高度吻合，且并未观测到由于交变磁而引起的Kramer简并的解除现象。更重要的是，研究团队通过进一步的自旋分辨角分辨光电子能谱（spin-ARPES）发现RuO₂低能体带具有显著的面内自旋极化特性，在高对称平面上呈现出自旋反对称性，与交变磁性预期的d波自旋织构相悖。研究团队分析认为这种非典型的自旋极化可能由Rashba效应或空间反演对称性破缺所导致。因此，研究团队的研究结果推翻了此前关于RuO₂具有交变磁性的假设，促使科学界重新审视该材料的磁性特征。而研究团队发现的RuO₂低能体带的自旋极化特性揭示了其在自旋电子学中的潜在应用，以及其高效的催化特性的理解提供了新思路。

该研究成果是由中国科学院上海高等研究院刘吉山副研究员和中国科学技术大学沈大伟教授联合研究小组完成，以题为“Absence of Altermagnetic Spin Splitting Character in Rutile Oxide RuO₂”发表在国际著名期刊Physical Review Letter上。论文的第一作者为刘嘉宇，共同第一作者为占洁、李彤瑞和刘吉山。中国科学院上海高等研究院刘吉山副研究员、中国科学院上海微系统所乔山研究员、中国科学院金属研究所孙岩研究员、南京大学温锦生教授和中国科学技术大学沈大伟教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等科研项目的大力支持。

文章链接： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.176401