手性非共线交换磁体中的自旋霍尔与Edel斯坦效应研究及其无自旋轨道耦合驱动新机制

本刊推荐：为解决传统自旋电子学中自旋轨道耦合(SOC)依赖性强的问题，研究人员开展了手性非共线交换磁体(AMs)的自旋输运特性研究。通过扩展朗道理论和第一性原理计算，发现Mn3IrSi中存在空间奇宇称多极矩序参量，首次实现了无SOC条件下显著的自旋霍尔效应(SHE)和Edelstein效应(EE)，其强度达102(?/e) S/cm量级。这项研究为开发高性能自旋电子器件提供了全新材料平台。

　　

在自旋电子学的发展历程中，研究人员长期面临一个根本性挑战：传统自旋输运效应如自旋霍尔效应(Spin Hall Effect, SHE)和Edelstein效应(Edelstein Effect, EE)严重依赖自旋轨道耦合(Spin-Orbit Coupling, SOC)机制。这种依赖性限制了效应强度和应用潜力，因为SOC能量尺度通常较小。近年来，交换磁性(Altermagnetism, AM)作为一种新型磁序的发现带来了突破希望。这类材料同时具备铁磁体的能带自旋劈裂特性和反铁磁体的净磁化强度为零的特点，但最初的研究局限于共线磁结构。

随着研究的深入，科学家开始探索非共线磁结构中的交换磁性现象，特别是具有手性特性的材料体系。这类材料由于打破空间反演对称性，可能产生全新的物理效应。然而，非共线手性交换磁体是否能够实现不依赖SOC的自旋输运效应，以及其背后的微观机制如何，仍然是未解之谜。

针对这一科学问题，由Mengli Hu、Oleg Janson、Claudia Felser、Paul McClarty、Jeroen van den Brink和Maia G. Vergniory组成的研究团队在《Nature Communications》上发表了突破性研究成果。他们通过理论创新与实验验证相结合的方法，系统研究了手性非共线交换磁体Mn₃IrSi中的自旋输运特性。

研究人员采用多尺度研究方法：首先通过扩展朗道理论(Landau theory)建立理论框架；随后构建Kondo晶格玩具模型(toy model)进行对称性分析；最后利用第一性原理计算(DFT+U)验证预测并量化效应强度。材料选择上聚焦于具有β-Mn型结构的Mn₃IrSi，该材料属于 Sohncke空间群P2₁3(No.198)，磁原子占据Wyckoff位置12b。

理论分析表明，Mn₃₃IrSi的补偿性非共线Néel序产生了时间反演奇宇称的多极矩序参量：一个空间偶极矩和一个空间四极矩。这些交换磁序参量赋予了动量空间独特的自旋织构特征。特别重要的是，该系统的自旋空间群(Spin Space Group, SSG)与磁空间群(Magnetic Space Group, MSG)同构，即使SOC严格为零，其磁对称性也等同于有限SOC系统中预期的对称性。

朗道理论分析显示，Mn₃IrSi的磁序参量属于T不可约表示，相应的朗道自由能展开为F=c₂Φ^α·Φ^α+c₄(Φ^α·Φ^α)²。通过引入空间偶极矩L_1,α=∫d³rr^αs(r)和四极矩L_2,α=∫d³r(3r^α2-r²)s(r)，理论预测了动量空间中的刺猬型(hedgehog)和四极子型(quadrupole)自旋织构。

电子结构计算结果表明，Mn₃IrSi的能带结构在R点存在多重简并，且该简并在SOC引入后仍然保持稳定。自旋织构分析揭示了s_x/s_y分量中的刺猬型绕旋和s_z分量中的四极子型分布特征。特别值得注意的是，SOC的引入对能带结构和自旋织构影响极小，证实了交换磁性效应的主导地位。

自旋输运性质计算揭示了令人瞩目的现象：在无SOC条件下，Mn₃IrSi表现出显著的自旋霍尔效应和Edelstein效应。自旋霍尔电导率可达-10²(?/e) S/cm量级，比典型SOC驱动的体系高出一个数量级。Edelstein效应强度约为-2×10^-10 ? m/V，与某些非共面磁体相当。

机制分析表明，电场使费米面在倒易空间中位移，刺猬型自旋织构确保费米面上的自旋不再补偿，从而直接产生诱导磁化。类似的位移使电子感受到有效扭矩并向σ₂方向倾斜，由于动量k_y>0和k_y<0处扭矩符号相反，出现了垂直于电场的净自旋流。

该研究的结论部分强调，手性非共线交换磁体代表了一类新的量子材料，其独特的自旋动量锁定机制不依赖SOC，而是由交换相互作用主导，能量尺度比SOC大数个量级。这一发现不仅扩展了交换磁性的分类体系，还为自旋电子学应用提供了新材料平台。

研究团队进一步预测了Mn₃IrSi家族其他成员（如Mn₃IrGe、Mn₃CoGe、Mn₃RhGe）以及其它手性非共线交换磁体（如ScMnO₃、BaCuTe₂O₆、YMnO₃、Ho₂Ge₂O₇、Er₂Ge₂O₇）都可能表现出类似的显著效应。

这项工作的意义在于首次建立了手性、非共线性和交换磁性之间的内在联系，揭示了无SOC条件下强自旋输运效应的物理机制，为开发新一代自旋电子器件奠定了理论基础。同时，研究过程中发展的理论框架和计算方法为识别和设计更多具有类似特性的材料提供了通用工具。