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[转载]FOP | 主题综述：二维交替磁体的分类与设计

已有 405 次阅读 2026-7-15 17:39 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

交替磁体（altermagnet，又称自旋分裂反铁磁体）是一类新型共线反铁磁体，兼具铁磁体与反铁磁体的核心优势：宏观净磁矩为零，具备反铁磁体无杂散场、抗外场干扰、自旋动力学超快的特性；同时能带结构存在非相对论性自旋分裂，拥有类似铁磁体的自旋极化能带，是下一代自旋电子学的核心候选材料。

传统自旋电子学以铁磁材料为核心，但铁磁体存在固有杂散场，严重限制存储密度与集成规模，且净磁矩使其易受外磁场干扰。传统反铁磁体虽无杂散场、抗干扰能力强，但电子结构自旋简并，难以产生强自旋电流与时间反演对称破缺响应，实际应用受限。交替磁体作为破缺时间反演对称性的反铁磁体系，整合了两类材料的优势，为自旋电子学发展开辟了新方向。

2017 年二维范德华磁体实验实现后，二维磁性材料成为凝聚态物理与自旋电子学的研究热点。与三维体系相比，二维材料凭借弱层间范德华相互作用，可自由堆叠构建异质结且无晶格失配问题，物理性质可调性强，栅压、应变等外场调控效率高，是实现高效电控磁器件的理想平台。

当前三维交替磁体已在 MnTe、CrSb 等材料中获得实验证实，自旋输运、拓扑物理等方向进展迅速；但二维交替磁体领域仍以理论预测为主，实验验证严重滞后，且缺乏针对二维体系的系统性分类、材料梳理与设计策略总结。本综述基于自旋群理论建立二维交替磁体的统一对称性分类框架，梳理已报道的单层候选材料体系，归纳二维体系特有的交替磁性设计策略，并对该领域的未来发展方向与挑战进行展望。

图 1 三类二维共线磁晶体、能带对比及二维交替磁优势交集

1 二维交替磁体的对称性分类

1.1 自旋群理论基础

交替磁性是一种非相对论性效应，其本质由自旋群对称性主导。自旋群理论可实现实空间与自旋空间对称操作的部分解耦，是描述磁性结构对称性的核心框架。

1.2 自旋简并的保护对称性机制

在二维共线反铁磁体中，四类自旋群操作会保护能带的自旋简并，使体系呈现传统反铁磁的特征：

平移对称操作 [C₂||τ]：通过平移关联相反自旋子晶格，平移不改变自旋简并性，强制能带自旋简并；

空间反演操作 [C₂||P]：与有效时间反演结合形成 PT对称，保证克莱默简并；

面内镜面反射 [C₂||m_z]：直接关联相反自旋态，维持简并；

面外二重旋转 [C₂||C_{2z}]：结合有效时间反演后强制自旋简并。

图 2 自旋群操作在倒空间、自旋空间作用原理

1.3 二维交替磁体的自旋劳厄群分类

二维交替磁体的自旋群必须排除上述四类简并保护操作，根据自旋-动量锁定的特征可分为三类，对应不同的自旋劳厄群：

d波交替磁体：特征整数为2；

g波交替磁体：特征整数为4；

i波交替磁体：特征整数为6。

1.4 不同类型的物理响应差异

对称性差异直接导致不同类型交替磁体的物理响应截然不同：面内反常霍尔效应仅允许存在于 d波交替磁体中，g波体系严格禁止；巨磁阻效应仅在低对称d波交替磁体中出现，高对称 g 波、i 波体系均不支持该效应。对称性分类不仅是理论分类标准，也为材料的功能定向设计提供了依据。

2 二维交替磁体候选材料概述

2.1 材料体系整体概况

目前通过理论预测与高通量筛选，已发现几十种二维交替磁体候选材料，绝大多数属于 d波自旋-动量锁定类型。研究团队通过对多个二维材料数据库的系统筛选，已识别出63 种单层交替磁体，此外还拓展出有机交替磁体、多铁性交替磁体、拓扑交替磁体等功能化体系。

2.2 典型高自旋分裂候选材料

自旋分裂幅度越大，实验观测越容易，器件应用潜力越高。综述重点梳理了9种自旋分裂大于 500 meV 的代表性候选材料。这类大自旋分裂材料是实验验证二维交替磁性的首选体系，其中 V₂Se₂O 是首个被报道的二维交替磁体，同时具备谷电子学特性；CrO 为半金属，被预测存在量子反常霍尔效应。

2.3 当前材料研究的局限

目前二维交替磁体的候选数量远少于三维体系，领域整体处于起步阶段。绝大多数候选材料的磁基态仅通过对比少数共线磁构型的能量确定，未全面考虑非共线、螺旋磁序等复杂磁结构，可能存在基态判断偏差。此外多数研究忽略自旋轨道耦合的影响，而自旋轨道耦合可能改变磁基态稳定性，影响交替磁性的实际存在性。

图 3 在无自旋-轨道耦合情况下表现出显著自旋分裂的反磁体的能带结构

3 二维交替磁体的设计策略

图 4 二维交替磁六大调控路径

3.1 堆叠工程

堆叠是二维材料特有的对称性调控手段，通过同质或异质堆叠可改变体系对称性，诱导、调控甚至切换交替磁性。

3.1.1 同质堆叠

同质堆叠可通过两种路径实现双层交替磁体：堆叠两层反铁磁材料，或堆叠两层铁磁材料并利用层间反铁磁耦合保证净磁矩为零。

图 5 双层交替磁体在无自旋-轨道耦合（SOC）条件下的晶体结构与能带结构

3.1.2 异质堆叠

将反铁磁材料与其他二维材料堆叠形成异质结，可打破原有对称性，诱导交替磁性。

图 6 滑动铁电堆叠结构、三层异质交替磁隧道器件原理图

3.2 多组分设计

化学合金化与组分不对称是打破自旋简并保护对称性、实现交替磁性的精准调控手段。

3.2.1 合金化多组分交替磁

对于晶体结构相同、组分相近的反铁磁材料，通过混合不同组分构建多组分体系，可打破平移、反演等保护对称性，诱导自旋分裂。该方法可通过调节组分比例连续调控物性，且材料稳定性可通过声子谱与形成能计算评估。

3.2.2 Janus 结构交替磁

Janus 工程是多组分设计的重要分支，通过将材料上下表面的原子替换为同族元素，打破面外反演与镜面对称，解除自旋简并。

图 7 多组分/Janus二维交替磁晶体结构与能带图

3.3 表面吸附

通过在二维反铁磁材料表面吸附原子或分子，可选择性打破自旋简并保护对称性，同时保留关联相反自旋子晶格的旋转 / 镜面对称，从而诱导交替磁性。

3.3.1 反铁磁材料表面吸附

在 Néel 型反铁磁体表面特定位点吸附原子或分子，可打破 PT 对称但保留连接相反自旋子晶格的镜面对称，使体系获得动量依赖的交替自旋极化。

3.3.2 非磁材料吸附诱导磁性

在非磁性二维材料上吸附磁性杂质，也可诱导共线补偿自旋序与交替磁性。

图 8 原子/分子吸附诱导交替磁的晶体、自旋分布与能带图

4 电场调控

面外电场是二维材料中通用高效的物性调控手段，可打破PT对称，在PT型反铁磁体中可逆、可调地诱导自旋分裂，实现反铁磁到交替磁的转变。

电场作用下，二维磁体上下表面产生静电势差，打破空间反演对称性；若体系同时保留面内旋转或镜面对称，则转变为交替磁体。

5 结构晶格畸变

晶格结构畸变可打破平移对称性，同时保留铁电极化与关联子晶格的对称操作，是构建铁电交替磁体的核心机制。

传统铁电反铁磁体中，磁子晶格通过平移对称关联，能带自旋简并；当发生 Jahn-Teller 畸变、Peierls 二聚化等结构畸变时，平移对称被打破，同时产生连接相反自旋子晶格的镜面对称，体系转变为铁电交替磁体。

6 应变工程

应变可诱导晶格畸变、调制磁交换相互作用，既能调控现有交替磁体的物性，也能驱动铁磁或自旋简并反铁磁向交替磁转变。

二维材料柔韧性好、应变敏感性强，可通过衬底晶格失配等方式实现可控应变。应变调控交替磁性包含两种机制：

结构畸变机制：应变诱发晶格畸变，打破保护自旋简并的对称性，诱导交替磁性。

交换作用调制机制：应变改变磁交换相互作用强度，驱动磁相变。

图 9 电场、晶格畸变、应变调控交替磁的晶体与能带演化

7 二维有机交替磁体

除无机材料外，交替磁性也在二维有机体系中得到拓展。基于休克尔理论与非键分子轨道的逆向设计策略，选择含非键分子轨道的有机配体与过渡金属组装，可构建一系列二维金属有机框架交替磁体。

8 研究展望

8.1 实验合成与表征方向

8.1.1 核心实验突破目标

二维交替磁体领域目前仍以理论为主，首要里程碑是首个二维交替磁体的实验实现与交替磁性的确凿证据。其次是验证各类设计策略的实验可行性，拓展二维交替磁的材料体系。

8.1.2 关键表征技术

角分辨光电子能谱（ARPES）尤其是自旋分辨 ARPES 是验证交替磁性最直接的手段，可直接观测动量空间的自旋分裂能带。

8.2 自旋电子学应用

交替磁隧道结：二维交替磁隧道结具备反常的厚度标度特性，隧穿磁阻随势垒厚度增加而减小，单层势垒时磁阻最大，恰好匹配二维材料的层厚精准可控优势。

新型自旋器件：二维交替磁二阶拓扑绝缘体的自旋极化棱态可实现反常边缘隧穿磁阻；d 波交替磁体与普通金属异质结可实现完美自旋极化，构建全电控自旋滤波器与自旋阀。

8.3 交叉前沿方向

拓扑/角电子学：二阶拓扑角态、量子反常霍尔效应；

超导：超导二极管、有限动量库珀对；

谷电子学：自旋-谷锁定、晶体谷霍尔效应；

多铁耦合：滑动铁电-交替磁一体化低功耗器件。

9 结论与挑战

9.1 研究总结

本综述围绕二维交替磁体的对称性原理与材料实现展开，系统介绍了基于自旋群理论的对称性描述与分类体系，梳理了已报道的理论候选材料，详细归纳了六大二维交替磁性设计策略，并对实验、自旋电子学、拓扑物理等方向进行了全面展望。该领域目前仍处于起步阶段，理论预测进展迅速，但实验验证严重滞后，未来实验突破将是领域发展的核心推动力。

9.2 核心挑战

第一性原理计算的不确定性：过渡金属体系的计算高度依赖Hubbard U参数的选取，给交替磁预测带来不可忽略的误差；不同 DFT+U 方案也可能导致磁基态判断偏差。

磁基态判定方法局限：当前多数研究仅对比少数共线磁构型确定基态，未覆盖共面、非共面等复杂磁结构，可能遗漏真实基态导致预测错误；自旋螺旋计算虽更可靠，但仅适用于单磁性原胞的简单体系，复杂材料适用性有限。

自旋轨道耦合的影响被低估：绝大多数理论研究忽略自旋轨道耦合，但自旋轨道耦合可能改变磁基态稳定性，甚至诱导手性螺旋磁序，破坏共线交替磁结构。二维体系中自旋轨道耦合的实际影响仍需系统评估。

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TOPICAL REVIEW

Classification and design of two-dimensional altermagnets

Sike Zeng, Dong Liu, Hongjie Peng, Chang-Chun He, Xiao-Bao Yang, Yu-Jun Zhao

Frontiers of Physics 2026, 21(9): 095301

Editor(s): San-Dong Guo

Giant tunneling magnetoresistance in altermagnetic heterostructures via multi-stage spin-filtering

Fei Zou, Long Zhang, Jiangchao Han, Guoying Gao