轻元素Altermagnetic材料Mn5Si3中反常能斯特效应的发现及其自发电输运机制

研究人员在补偿性反铁磁材料Mn5Si3薄膜中首次观测到自发反常能斯特效应（ANE），突破传统理论对无净磁化材料无法产生ANE的认知。通过DFT计算揭示其源于Altermagnetic特有的d-wave对称性自旋分裂与SOC诱导的Berry曲率，为自旋热电器件设计提供新思路。

　　

在传统认知中，反常能斯特效应（ANE）——这种在热梯度下产生横向电压的物理现象——被认为是铁磁材料的专属特性。然而，近年来非共线反铁磁材料如Mn₃Sn的发现打破了这一认知框架。但这类材料复杂的自旋结构和重元素的依赖性限制了其实际应用。更令人困惑的是，在具有共线反平行排列的补偿磁性材料中，理论上认为ANE被严格禁止。这一领域的关键矛盾随着Altermagnetic（交替磁性）新对称性材料的提出而迎来转机——这类材料兼具零净磁化与动量空间自旋分裂的特性，可能为ANE研究开辟全新路径。

来自捷克科学院物理研究所（Institute of Physics, Czech Academy of Sciences）的Antonin Badura团队在《Nature Communications》发表的研究，通过分子束外延（MBE）技术制备出高质量Mn₅Si₃(0001)薄膜。该材料作为轻元素Altermagnetic候选者，在58K时展现出高达0.26μV/K的自发ANE信号，对应Nernst电导率达0.22 A/(K·m)。结合密度泛函理论计算，研究首次证实Altermagnetic特有的伪节面（pseudonodal surfaces）和阶梯跃迁（ladder transitions）对Berry曲率的贡献机制，为开发新型自旋热电器件奠定基础。

关键技术方法包括：1）分子束外延生长20nm Mn₅Si₃/MnSi/Si(111)异质结构；2）超导量子干涉仪（SQUID）磁强计测量磁滞回线；3）扫描透射电镜（STEM）表征晶体结构；4）有限元模拟温度梯度分布；5）基于Wannier90代码的Berry曲率计算。

【研究结果】

反常能斯特效应观测：在零磁场条件下测得自发ANE信号，其温度依赖性显示58K时信号最强（0.26μV/K），随温度升高至216K衰减至0.03μV/K。磁场依赖性曲线揭示该信号由自发分量（与AHE同源）和低温特有的sigmoid分量组成。

5Si₃中反常能斯特效应实验示意图与微观结构'>

磁结构特征：SQUID测量显示薄膜具有微弱净磁化（58K时45mμ_B/f.u.），但DFT计算证实ANE主要源于Altermagnetic自旋分裂而非净磁化。X射线衍射验证外延应变使薄膜保持六方结构，区别于体材料的正交相变。

电子结构计算：动量分辨Berry曲率分析表明，SOC打开的伪节面间隙和阶梯跃迁是ANC主要来源（图3d）。计算得到的ANC值（58K时0.25A/(K·m)）与实验吻合，验证Altermagnetic特有的d-wave对称性对效应增强作用。

z=0平面Berry曲率与ANC分布'>

【结论与意义】

该研究首次在Altermagnetic材料中实现自发ANE，突破传统磁有序材料分类的认知边界。Mn₅Si₃作为由轻元素构成的候选材料，其ANE性能媲美含重元素的非共线反铁磁体（如Mn₃Sn），且具备共线自旋排列带来的长自旋相干优势。理论揭示的伪节面贡献机制为后续设计高性能自旋热电器件提供新靶点，而材料的地球丰度特性更凸显其应用潜力。这项发现不仅扩展了ANE研究的材料体系，更为自旋 caloritronics（自旋热电子学）领域的发展注入新动能。