最近一篇發(fā)表在《自然》雜志上的論文，利用光電子能譜和從頭計(jì)算的方法，發(fā)現(xiàn)了一種新的磁性相，叫做交替磁性相（altermagnetic），它可以在沒(méi)有凈磁化和反演對(duì)稱性破缺的情況下，實(shí)現(xiàn)克拉默斯自旋簡(jiǎn)并的消除。這是一個(gè)非常重要的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樗沂玖艘环N新的對(duì)稱性破缺的機(jī)制，可能導(dǎo)致一些新奇的物理現(xiàn)象和應(yīng)用。

那么，什么是克拉默斯自旋簡(jiǎn)并呢？為什么它的消除是有意義的呢？我們先來(lái)回顧一下一些基本的物理概念。你們可能都知道，電子是一種具有自旋的費(fèi)米子，它的自旋可以取兩個(gè)值，分別用上箭頭和下箭頭表示。如果我們把電子放在一個(gè)晶體中，它的能量就會(huì)受到晶體的勢(shì)能的影響，形成一些允許的能級(jí)。如果晶體具有反演對(duì)稱性，那么根據(jù)量子力學(xué)的對(duì)稱性原理，每個(gè)能級(jí)都會(huì)有兩個(gè)簡(jiǎn)并的態(tài)，分別對(duì)應(yīng)于自旋向上和向下的電子，這就是克拉默斯定理的內(nèi)容。克拉默斯定理告訴我們，反演對(duì)稱性保證了自旋簡(jiǎn)并的存在。

那么，如果我們想要消除自旋簡(jiǎn)并，我們就需要破壞反演對(duì)稱性。這可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)。一種是在晶體中引入磁化，也就是說(shuō)，讓電子的自旋有一個(gè)優(yōu)先的方向。這樣，自旋向上和向下的電子就會(huì)受到不同的磁場(chǎng)作用，導(dǎo)致能級(jí)發(fā)生分裂。這種情況下，自旋簡(jiǎn)并的消除是由于時(shí)間反演對(duì)稱性的破缺，因?yàn)榇艌?chǎng)會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)方向。這種機(jī)制在鐵磁體中是很常見(jiàn)的，而且效果很強(qiáng)，因?yàn)榇呕怯煞窍鄬?duì)論的交換作用產(chǎn)生的，它是一種很強(qiáng)的相互作用。

另一種是在晶體中引入自旋軌道耦合，也就是說(shuō)，讓電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)有一個(gè)耦合的關(guān)系。這樣，自旋向上和向下的電子就會(huì)受到不同的晶體勢(shì)能的影響，導(dǎo)致能級(jí)發(fā)生分裂。這種情況下，自旋簡(jiǎn)并的消除是由于空間反演對(duì)稱性的破缺，因?yàn)樽孕壍礼詈蠒?huì)改變電子的空間分布。這種機(jī)制在非中心對(duì)稱的晶體中是很常見(jiàn)的，但是效果很弱，因?yàn)樽孕壍礼詈鲜怯上鄬?duì)論效應(yīng)產(chǎn)生的，它是一種很弱的相互作用。

那么，這兩種機(jī)制是不是就是唯一的方式呢？有沒(méi)有可能在一個(gè)中心對(duì)稱且無(wú)磁化的晶體中，也能實(shí)現(xiàn)自旋簡(jiǎn)并的消除呢？這就是這篇論文要探討的問(wèn)題。作者發(fā)現(xiàn)了一種新的磁性相，叫做交替磁性，它可以在沒(méi)有凈磁化和反演對(duì)稱性破缺的情況下，實(shí)現(xiàn)克拉默斯自旋簡(jiǎn)并的消除。這是怎么做到的呢？我們來(lái)看看他們的實(shí)驗(yàn)和理論。

研究人員選擇了一種叫做MnTe的晶體作為研究對(duì)象。這種晶體具有六方晶系的結(jié)構(gòu)，它是中心對(duì)稱的，也就是說(shuō)，它具有反演對(duì)稱性。它的磁性是由于其中的錳（Mn）原子的自旋排列，它們形成了一個(gè)復(fù)雜的反鐵磁序。這種反鐵磁序在低溫下是穩(wěn)定的，但是在高溫下會(huì)發(fā)生相變，變成一種無(wú)序的順磁相。這種相變的溫度叫做居里溫度，對(duì)于MnTe來(lái)說(shuō)，它大約是307K。

論文作者使用了一種叫做光電子能譜的技術(shù)，來(lái)測(cè)量MnTe的電子能帶結(jié)構(gòu)。光電子能譜是一種利用光子激發(fā)電子逸出晶體表面的方法，通過(guò)測(cè)量逸出電子的能量和角度，可以得到晶體內(nèi)部電子的能量和動(dòng)量的分布。作者使用了一種叫做同步輻射的光源，它可以產(chǎn)生高能量和高亮度的X射線，從而可以激發(fā)出深層的電子，而不僅僅是表面的電子。這樣，可以得到更完整和更準(zhǔn)確的能帶結(jié)構(gòu)。

作者發(fā)現(xiàn)，在低溫的反鐵磁相中，MnTe的能帶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的自旋分裂，也就是說(shuō)，自旋向上和向下的電子的能級(jí)不一樣。這意味著，克拉默斯自旋簡(jiǎn)并被消除了。但是，這種自旋分裂并不是由于時(shí)間反演對(duì)稱性的破缺，因?yàn)镸nTe沒(méi)有凈磁化，也沒(méi)有外加磁場(chǎng)。也不是由于空間反演對(duì)稱性的破缺，因?yàn)镸nTe是中心對(duì)稱的，也沒(méi)有外加電場(chǎng)。那么，這種自旋分裂是由什么原因造成的呢？

作者通過(guò)從頭計(jì)算的方法，對(duì)MnTe的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論模擬。從頭計(jì)算是一種基于第一性原理的數(shù)值計(jì)算方法，它可以根據(jù)晶體的原子位置和電子相互作用的基本規(guī)律，來(lái)計(jì)算晶體的電子結(jié)構(gòu)。作者發(fā)現(xiàn)，MnTe的自旋分裂是由于一種叫做交替磁性的相互作用，它是一種超越自旋軌道耦合的新的對(duì)稱性破缺的機(jī)制。

交替磁性是指，在一個(gè)中心對(duì)稱且無(wú)磁化的晶體中，電子的自旋和晶體的晶格振動(dòng)有一個(gè)耦合的關(guān)系，這種耦合會(huì)導(dǎo)致電子的自旋在不同的晶格位置有不同的取向，從而實(shí)現(xiàn)自旋簡(jiǎn)并的消除。這種耦合是由于晶格振動(dòng)引起的晶體的局域反演對(duì)稱性的破缺，也就是說(shuō)，雖然整個(gè)晶體是中心對(duì)稱的，但是在局部的尺度上，晶體的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生微小的變化，這些變化會(huì)影響電子的自旋。這種機(jī)制在高溫的順磁相中也存在，但是效果很弱，因?yàn)榫Ц裾駝?dòng)的幅度很小，而且電子的自旋是無(wú)序的。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于磁性物理的發(fā)展有什么意義呢？首先，它拓展了我們對(duì)磁性相的認(rèn)識(shí)，讓我們知道了除了傳統(tǒng)的鐵磁相和反鐵磁相之外，還有一種新的磁性相，它有著獨(dú)特的自旋對(duì)稱性和自旋分裂機(jī)制。其次，它激發(fā)了我們對(duì)交替磁相的探索和利用，讓我們有了一種新的手段來(lái)調(diào)控自旋自由度，從而實(shí)現(xiàn)一些新的物理效應(yīng)和技術(shù)應(yīng)用。