百科网

首页 > 文化教育 > 科学探索

科学探索

一种新的磁性得到了证实

科学探索万象经验2024-02-28

最近一篇发表在《自然》杂志上的论文,利用光电子能谱和从头计算的方法,发现了一种新的磁性相,叫做交替磁性相(altermagnetic),它可以在没有净磁化和反演对称性破缺的情况下,实现克拉默斯自旋简并的消除。这是一个非常重要的发现,因为它揭示了一种新的对称性破缺的机制,可能导致一些新奇的物理现象和应用。

那么,什么是克拉默斯自旋简并呢?为什么它的消除是有意义的呢?我们先来回顾一下一些基本的物理概念。你们可能都知道,电子是一种具有自旋的费米子,它的自旋可以取两个值,分别用上箭头和下箭头表示。如果我们把电子放在一个晶体中,它的能量就会受到晶体的势能的影响,形成一些允许的能级。如果晶体具有反演对称性,那么根据量子力学的对称性原理,每个能级都会有两个简并的态,分别对应于自旋向上和向下的电子,这就是克拉默斯定理的内容。克拉默斯定理告诉我们,反演对称性保证了自旋简并的存在。

那么,如果我们想要消除自旋简并,我们就需要破坏反演对称性。这可以通过两种方式实现。一种是在晶体中引入磁化,也就是说,让电子的自旋有一个优先的方向。这样,自旋向上和向下的电子就会受到不同的磁场作用,导致能级发生分裂。这种情况下,自旋简并的消除是由于时间反演对称性的破缺,因为磁场会改变电子的运动方向。这种机制在铁磁体中是很常见的,而且效果很强,因为磁化是由非相对论的交换作用产生的,它是一种很强的相互作用。

另一种是在晶体中引入自旋轨道耦合,也就是说,让电子的自旋和轨道运动有一个耦合的关系。这样,自旋向上和向下的电子就会受到不同的晶体势能的影响,导致能级发生分裂。这种情况下,自旋简并的消除是由于空间反演对称性的破缺,因为自旋轨道耦合会改变电子的空间分布。这种机制在非中心对称的晶体中是很常见的,但是效果很弱,因为自旋轨道耦合是由相对论效应产生的,它是一种很弱的相互作用。

那么,这两种机制是不是就是唯一的方式呢?有没有可能在一个中心对称且无磁化的晶体中,也能实现自旋简并的消除呢?这就是这篇论文要探讨的问题。作者发现了一种新的磁性相,叫做交替磁性,它可以在没有净磁化和反演对称性破缺的情况下,实现克拉默斯自旋简并的消除。这是怎么做到的呢?我们来看看他们的实验和理论。