ADV. SCI. 反铁磁体MnTe2中的Plaid-like自旋劈裂与手性磁振子ADV. SCI. (2026) e76555反铁磁体MnTe2中的Plaid-like自旋劈裂与手性磁振子Plaid-Like Spin Splitting and Chirality of Magnon Bands in Antiferromagnetic MnTe2导读 导读交错磁体Altermagnet是2022年提出的磁性材料第三极兼具反铁磁体的补偿磁序和铁磁体的自旋劈裂。本文通过手性分辨Raman光谱DFTU线性自旋波理论首次在非共面反铁磁体MnTe2中观测到磁振子的手性劈裂--RL和LR圆偏振通道的Raman强度出现Stokes/anti-Stokes反转角分布图案旋转90度。DFT自旋波理论揭示了磁振子能带中的plaid-like格子花纹自旋劈裂纹理与电子能带的自旋纹理完全一致确证了MnTe2的非共线交错磁性。一、前言背景交错磁体Altermagnet磁性材料的第三极2022年Smejkal、Sinova、Jungwirth在PRX上正式提出altermagnetism概念打破了铁磁体和反铁磁体的传统二分法。交错磁体兼具反铁磁体的补偿磁序零净磁矩和铁磁体的自旋劈裂能带其物理根源是非相对论性的晶体对称性旋转/镜面操作连接相反自旋子晶格而非SOC。交错磁体的关键特征(1) 动量空间中的d波、g波或i波自旋劈裂(2) 非相对论性不含SOC(3) 能带和磁振子均可能呈现自旋劈裂。这使得交错磁体在THz级自旋动力学、无杂散场器件和手性磁振子学方面具有独特优势。MnTe2是交错磁体的重要候选材料黄铁矿型结构Pa-3Mn2(S5/2)形成FCC网络四个Mn子晶格的自旋沿不同[111]方向排列构成非共面补偿反铁磁序。本文首次通过手性分辨Raman光谱揭示了MnTe2中磁振子的手性劈裂。手性磁振子交错磁体的指纹激发磁振子magnon是磁性有序态中的自旋波量子激发。在传统反铁磁体中左手和右手磁振子严格简并。但在交错磁体中复合自旋-晶格对称性操作可以解除这种简并导致omega(k) ! omega(-k)--即非互易磁振子色散。本文的核心实验方法手性分辨Raman光谱RL和LR圆偏振配置直接探测磁振子的手性不对称性。关键发现2.5 meV低能磁振子在Stokes和anti-Stokes侧出现RL/LR强度反转这是手性磁振子的指纹信号。理论方法链VASP DFTU基态电子结构- OpenMX全带Hamiltonian- Jx代码磁力线性响应提取交换参数- Holstein-Primakoff变换自旋波理论- Colpa对角化磁振子能带自旋纹理。MnTe2交错磁体手性磁振子研究流程。VASP DFTU基态电子结构 - OpenMX DFTU全带Hamiltonian- Jx代码磁力线性响应理论提取J/D/Gamma交换参数- Holstein-Primakoff变换 Colpa对角化线性自旋波理论4支磁振子能带- plaid-like自旋劈裂纹理 手性磁振子omega(k)!omega(-k) - 手性分辨Raman光谱实验验证RL/LR偏振Stokes/anti-Stokes反转。二、研究方法VASP DFTU非共线磁基态的第一性原理描述计算设置VASP PAW赝势, PBE泛函, Ueff4.2 eVDudarev方案, Mn-3d电子, ENCUT500 eV, 10x10x10 Gamma-centered k点。实验晶格常数6.90 A固定原子位置弛豫至力1 meV/A。MnTe2的磁结构4个Mn子晶格Wyckoff 4a位置自旋分别沿[111], [1-1-1], [-11-1], [-1-11]方向。这是非共面non-coplanar反铁磁序总磁矩为零。U值选择Ueff4.2 eV是基于Mn2d5高自旋的典型值。作者测试了Ueff1.0-5.0 eV范围发现|D1|/J1比值变化20.3%证明交换参数对U值不敏感。同时也用cFLLUJU5.0 eV, J0.8 eV进行了交叉验证。磁力线性响应理论从DFT到交换参数Jx代码基于Liechtenstein磁力理论1987通过计算自旋旋转引起的能量变化来提取交换参数。与传统的能量映射法构建不同磁构型超胞计算总能量差不同磁力线性响应直接在DFT基态上计算不需要构建多个超胞。核心公式J_ij (1/4pi) * Im(Tr[Delta_i * G_ij^up * Delta_j * G_ji^down])其中Delta_i为在位交换劈裂G_ij为Green函数。这种方法可以同时提取各向同性交换J、DM矢量D和对称各向异性交换Gamma张量。本文的交换参数J10.675 meV最近邻AFMJ2-0.029 meV次近邻FM|D1|0.063 meVDM矢量稳定非共线序。D20次近邻存在反演中心DM被禁止。有效自旋哈密顿量包含各向同性交换J、DM矢量D和对称各向异性交换Gamma张量。最近邻(ij)和次近邻(ij)分别考虑。线性自旋波理论Holstein-Primakoff变换与Colpa对角化Holstein-PrimakoffHP变换将自旋算符映射为玻色子算符S_i^ sqrt(2S)*a_i, S_i^- sqrt(2S)*a_i^dagger, S_i^z S - a_i^dagger*a_i。对于S5/2的Mn21/S量子修正约为20%线性自旋波理论是合理的近似。对于非共线磁序需要在每个子晶格的局域自旋坐标系中定义HP变换然后通过Colpa方法对角化玻色子Hamiltonian。Colpa方法1978是处理非对角玻色子Bogoliubov-de Gennes方程的标准方法。结果4支磁振子能带对应4个Mn子晶格Gamma点能量E1E2E33.54 meV上三支简并E42.40 meV最低支与实验观测的2.5 meV和3.6 meV一致。Holstein-Primakoff变换将自旋算符映射为玻色子产生/湮灭算符手性磁振子判据交错磁体中磁振子色散不满足omega(k)omega(-k)三、核心结果图 1MnTe2的晶体结构和Raman光谱。(a) 黄铁矿型晶体结构绿色和橙色箭头示意RL和LR散射配置。(b) T10K下RL(红)和LR(蓝)偏振的代表性光谱插图为光学声子对称性指认。(c) RL和LR的强度差RCD信号。(d,e) RL和LR偏振下温度依赖Raman光谱的彩色等高线图。(f) 10K-305K范围内RCD信号的温度演化。Raman圆二色性RCD手性磁振子的直接探针RCD I_RL - I_LR正比于磁振子的手性不对称性。本文的核心实验发现2.5 meV低能磁振子在Stokes和anti-Stokes两侧呈现相反的RCD信号这是手性磁振子的独有特征。物理机制RL和LR偏振分别耦合到相反手性的磁振子。在交错磁体中复合自旋-晶格对称性使左手和右手磁振子不再简并导致RL和LR通道的散射强度不同。Stokes/anti-Stokes反转来源于磁振子产生和湮灭过程的手性选择规则。对比3.6 meV高能磁振子和声子模式均未显示RCD说明手性不对称性仅存在于特定磁振子支。这与线性自旋波理论预测的表面不一致高能支预测有更大自旋极化但Raman强度还受散射截面和Raman顶点结构影响。图 2偏振分辨Raman光谱的角依赖性和对称性分析。(a-d) 10K和305K下平行和交叉偏振的Raman数据。(e-h) Ag和Tg声子的角强度分布符合Raman张量预期。(i,j) 3.6 meV磁振子的二重旋转对称性。(k,l) 2.5 meV Stokes侧磁振子的四重二重卷积。(m,n) 2.5 meV anti-Stokes侧的90度旋转图案。磁振子对称性破缺从四重到二重Tg对称性的磁振子在传统反铁磁体中应呈现四重旋转对称性。但在MnTe2中2.5 meV磁振子出现明显的二重成分3.6 meV磁振子甚至完全呈现二重对称性。这种对称性降低是交错磁序的直接结果。d波对称性Stokes和anti-Stokes侧的角分布图案旋转90度对应d波序参量在动量空间中的符号反转。RL和LR偏振分别探测相反的自旋子晶格在d波节点处产生强度最大值。温度依赖性二重各向异性随温度升高而减弱在T90K略高于TN87K时恢复为近四重对称的准弹性自旋涨落。这确证了对称性破缺与磁有序的直接关联。图 3磁振子能带和自旋纹理。(a) Brillouin区高对称点。(b) (-X)-Gamma-X-M-Gamma-(-M)路径上的磁振子色散按自旋z分量着色。(c) (-R)-Gamma-R路径上的磁振子色散强自旋z纹理。(c1-4) 各支能带的自旋纹理分别展示。(d) kz*a/-0.1pi平面上E1-3磁振子能带的自旋纹理展示plaid-like格子花纹劈裂结构。Plaid-like自旋劈裂磁振子的交错磁性指纹Plaid-like格子花纹自旋劈裂是交错磁性磁振子的标志性特征自旋纹理满足在k_i--k_i下为偶函数在k_j--k_jj!i下为奇函数。这与先前在MnTe2电子能带中观测到的plaid-like劈裂完全相同Zhu et al., Nature 2024。对称性根源复合操作[2||{2|a/2(e_ie_j)}]--自旋绕y轴旋转pi 晶格绕y轴旋转pi 平移(0, 0.5a, 0.5a)--是MnTe2磁基态的对称性。这一操作直接导致动量空间中自旋纹理的奇偶交替。物理意义磁振子和电子能带共享相同的自旋纹理对称性说明交错磁性是体系的固有属性不依赖于具体激发类型。这为通过Raman光谱探测磁振子间接推断电子能带的自旋劈裂提供了新途径。DFT Tips【DFT Tip 1】DFTU中Ueff的选择Dudarev vs cFLLUJ本文使用Dudarev方案UeffU-J4.2 eV仅依赖有效U参数。同时对比了cFLLUJ方案U5.0 eV, J0.8 eV发现|D1|/J1比值变化约21%。两种方案的区别Dudarev方案简单一个参数适合定性趋势分析cFLLUJ方案分别控制U和J可以更精确地描述轨道选择性但需要两个参数。选择建议对于Mn2d5高自旋轨道角动量淬灭Dudarev方案通常足够。对于含轨道自由度的体系如Co2, Fe2cFLLUJ更合适。无论哪种方案必须测试U值在/-1-2 eV范围内的鲁棒性。【DFT Tip 2】磁力线性响应 vs 能量映射法提取交换参数能量映射法energy mapping构建FM、AFM1、AFM2等不同磁构型计算总能量差解线性方程组拟合J。优点直观任何DFT代码可做。缺点需要超胞难以提取DM矢量和各向异性。磁力线性响应Jx代码直接在DFT基态上通过Green函数计算自旋旋转的线性响应。优点不需要超胞可同时提取J/D/Gamma缺点需要全带Hamiltonian通常用OpenMX或Wannier90接口对k点密度敏感。本文的验证J10.675 meV, J2-0.029 meV与文献中的能量映射结果J1~7.1K0.61 meV, J2~-1.3K-0.11 meV定性一致验证了磁力线性响应的可靠性。【DFT Tip 3】非共线磁序的DFT设置MAGMOM与SAXISMnTe2的4个Mn子晶格自旋沿不同[111]方向在VASP中需要设置非共线计算LNONCOLLINEAR.TRUE.和每个原子的初始磁矩方向MAGMOM。INCAR关键设置LNONCOLLINEAR.TRUE., MAGMOM 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0仅Mn原子有磁矩。具体的自旋方向通过SAXIS或直接设置MAGMOM的x,y,z分量。常见陷阱(1) 忘记设置LNONCOLLINEARVASP默认共线计算非共线磁序会被错误地投影到z轴(2) 初始磁矩方向设置错误可能收敛到亚稳态(3) 非共线计算中LORBIT11可以输出每个原子的轨道和自旋磁矩方向。【DFT Tip 4】Holstein-Primakoff变换的适用条件与局限HP变换将自旋算符近似为玻色子适用于低温T1/2极限。对于S5/2的Mn21/S修正约为20%线性自旋波理论是合理的。局限(1) 忽略了磁振子-磁振子相互作用非线性效应在高温或接近TN时失效(2) 对于S1/2体系如Cu2量子涨落强线性自旋波理论精度差(3) 对于强阻挫体系可能需要考虑超越线性近似的量子修正。Colpa对角化处理非对角玻色子Bogoliubov-de Gennes方程的标准方法。注意只有正的本征值才是物理的磁振子能量负本征值表示选择的磁基态不稳定。【DFT Tip 5】DM相互作用的DFT提取Moriya规则与对称性DM矢量D_ij满足Moriya对称性规则如果两个磁性离子之间存在反演中心DM0如果存在镜面DM垂直于镜面如果存在二重旋转轴DM垂直于旋转轴。MnTe2中D1!0最近邻Mn-Mn对无反演中心D20次近邻Mn-Mn对存在反演中心。这是Moriya规则的直接验证。DFT中提取DM的方法(1) 能量映射法计算非共线磁构型的能量包含SOC(2) 磁力线性响应直接计算自旋-轨道耦合对交换相互作用的修正。两种方法都需要包含SOC。注意SOC计算中k点需要更密因为DM矢量通常比J小一个数量级。【DFT Tip 6】交错磁体磁振子的对称性分析自旋空间群传统磁空间群magnetic space group无法描述交错磁体的对称性需要自旋空间群spin space group。自旋空间群允许自旋空间和实空间的独立操作包括复合操作如[2||{2|t}]。MnTe2的对称性操作[2||{2|a/2(e_ie_j)}]自旋绕y轴旋转pi同时晶格绕y轴旋转pi并平移(0, 0.5a, 0.5a)。这一操作导致磁振子自旋纹理的奇偶交替--plaid-like pattern。实践建议在分析交错磁体时先确定自旋空间群可用FindSpinGroup或自定义脚本然后推导自旋纹理的对称性约束。如果实验结果与对称性预测不一致检查磁构型是否正确。【DFT Tip 7】Raman光谱与DFT的互补性从实验到理论Raman光谱探测的是Gamma点q0的磁振子而DFT自旋波理论可以计算整个Brillouin区的磁振子色散。两者的互补性(1) Raman提供Gamma点磁振子能量的精确实验值(2) DFT提供整个色散关系和自旋纹理。Raman强度的DFT计算需要计算Raman张量磁振子的光耦合强度这涉及自旋-声子耦合和磁光耦合的复杂计算比能带计算困难得多。本文未进行Raman强度的第一性原理计算而是专注于磁振子色散和自旋纹理。交叉验证Raman实验观测到2.5 meV和3.6 meV两个磁振子DFT预测Gamma点E42.40 meV, E1E2E33.54 meV。定性一致但定量差异约4-5%可接受。【DFT Tip 8】OpenMX在磁性体系中的优势全带HamiltonianOpenMX使用赝原子轨道PAO基组天然适合构建紧束缚型Hamiltonian。对于磁力线性响应计算需要完整的Bloch波函数在实空间Wannier基中的表示OpenMX的PAO基组可以直接提供。VASP vs OpenMX的工作分工VASP做结构弛豫和基态电子结构PAW基组精度高OpenMX做全带Hamiltonian构建和磁力计算PAO基组便于后续处理。这是磁性体系DFT计算的典型工作流。基组选择Mn s3p2d2f1, Te s3p3d2f1。f极化轨道对Mn3d的影响较小5%但对Te5p有一定影响~10%。9x9x9 k点和1000 Ry截断是OpenMX的标准设置。知识扩展【知识扩展 1】交错磁体Altermagnet的分类与识别【理论解释】交错磁性是自旋群spin group对称性分类的产物。根据自旋劈裂的角动量形式分为d波、g波、i波交错磁体。d波l2是最常见的如MnTe六方和RuO2四方。MnTe2立方中的plaid-like劈裂实际上是一种更高阶的d波形式。【识别方法】实验上识别交错磁体的方法(1) ARPES角分辨光电子能谱直接观测电子能带自旋劈裂(2) 中子散射观测磁振子手性劈裂(3) Raman光谱观测磁振子圆二色性本文方法(4) 输运测量反常Hall效应、自旋Hall效应。【方法比较】ARPES最直接但需要大单晶和同步辐射中子散射需要大样品和反应堆/散裂源Raman光谱是桌面级方法样品需求量小但只能探测Gamma点磁振子。三种方法互补。【经典参考】Smejkal et al., PRX 12, 031042 040501 (2022)Krempasky et al., Nature 626, 517 (2024)Zhu et al., Nature 626, 523 (2024)Liu et al., PRX 12, 021016 (2022)。【迁移能力】交错磁体概念适用于所有磁性体系。关键问题是你的体系的自旋群是否允许非相对论自旋劈裂可以使用在线工具或FindSpinGroup代码检查。【知识扩展 2】线性自旋波理论从海森堡模型到磁振子【理论解释】自旋波是磁性有序态中的低能集体激发。在铁磁体中自旋波色散为omega~k^2无能隙在反铁磁体中omega~k线性色散无能隙。交错磁体中的自旋波继承了能带的自旋劈裂特征出现手性劈裂。【方法比较】计算磁振子色散的方法(1) 线性自旋波理论本文低温大S极限(2) 经典Monte Carlo 动力学结构因子任意温度但(3) TDDFT第一性原理但仅适用于小体系(4) 非弹性中子散射实验。【Holstein-Primakoff vs Dyson-Maleev】HP变换保留玻色子对易关系但产生非对角项Dyson-Maleev变换产生对角Hamiltonian但破坏厄米性。对于非共线磁序HPColpa是标准选择。【经典参考】Holstein Primakoff, Phys. Rev. 58, 1098 (1940)Colpa, Physica A 93, 327 (1978)Toth Lake, J. Phys.: Condens. Matter 27, 166002 (2015)--SpinW教程。【迁移能力】线性自旋波理论适用于任何已知交换参数的磁性体系。对于S1/2体系建议用量子Monte Carlo或精确对角化验证。科研经验【科研经验 1】DFT提取交换参数的不确定性三种方法的系统比较问题我用能量映射法、磁力线性响应和Green函数方法得到的J值各不相同该信哪个原因(1) 能量映射法依赖于超胞大小和磁构型选择J3和更远的交换可能被错误地折叠到J1和J2中(2) 磁力线性响应依赖于k点密度和能量窗口(3) 不同方法对U值的敏感度不同。解决方案(1) 同时使用至少两种独立方法验证J值(2) 对于能量映射法使用多个超胞大小验证收敛性(3) 对于磁力线性响应测试k点从8x8x8到12x12x12的收敛性(4) 报告J值的误差范围而非单一数值。建议本文的|D1|/J1比值在不同U值下变化20.3%不同U方案下变化21%这是合理的误差范围。如果J值变化超过50%说明体系对U值敏感需要更精确的交换关联泛函如HSE06。【科研经验 2】Raman光谱中磁振子信号的识别避免误判问题Raman光谱中低能区10 meV的信号很多如何区分磁振子和声子/杂质荧光原因低能区可能存在(1) 声学声子但Gamma点声学声子能量为零(2) 杂质或缺陷的局域振动模式(3) 准弹性散射Rayleigh尾(4) 荧光背景。这些都可能被误判为磁振子。解决方案(1) 温度依赖性--磁振子强度在TN以下出现在TN以上消失或转变为顺磁振子(2) 偏振依赖性--声子遵循Raman张量磁振子可能违反(3) 磁场依赖性--外加磁场使磁振子Zeeman劈裂声子不受影响(4) 手性分辨--手性磁振子显示RL/LR不对称声子通常不显示。建议本文的2.5 meV信号同时满足所有四条判据确认为磁振子。如果你只看到其中一条需要更多证据。如果是我我还会继续算【继续算 1】非线性自旋波理论磁振子-磁振子相互作用为什么值得算线性自旋波理论忽略了磁振子-磁振子相互作用。在高温下接近TN非线性效应变得重要。1/S展开下一阶~1/S^2可以给出磁振子寿命和能量重整化。能回答的问题非线性修正对Gamma点磁振子能量2.5 meV和3.6 meV有多大影响磁振子寿命随温度如何变化适合体系所有磁性体系。输入交换参数1/S展开代码如SpinW的扩展。【继续算 2】Wannier90 电子能带自旋纹理与磁振子对比为什么值得算本文展示了磁振子的plaid-like自旋纹理但未直接计算电子能带的自旋纹理。Wannier90可以构建电子能带的紧束缚模型直接计算电子自旋纹理与磁振子自旋纹理进行定量对比。能回答的问题电子能带和磁振子能带的自旋纹理是否完全一致是否存在定量差异如劈裂幅度适合体系所有交错磁体。输入Wannier90Mn-d, Te-p轨道。【继续算 3】Monte Carlo模拟磁转变温度与临界行为为什么值得算DFT不能直接预测TN87K。使用提取的交换参数进行经典Monte Carlo模拟可以预测TN和临界指数与实验值直接对比。能回答的问题DFTMC预测的TN与实验值87K是否一致DM相互作用对TN的贡献有多大适合体系所有磁性体系。输入EspinS/UppASDHeisenbergDM模型到中等。【继续算 4】Berry曲率与反常Hall效应交错磁体的拓扑输运为什么值得算交错磁体中的非零Berry曲率多极矩可以产生反常Hall效应。MnTe2的非共面磁序plaid-like自旋纹理可能产生独特的拓扑输运性质。能回答的问题MnTe2的AHE有多大AHE是否与磁振子手性劈裂有关联适合体系所有交错磁体。输入Wannier90WannierTools到中等。【继续算 5】应变工程调控磁振子手性劈裂为什么值得算应变可以改变晶格对称性从而改变自旋空间群的对称性。压缩或拉伸应变可能增强或抑制磁振子的手性劈裂为器件应用提供调控手段。能回答的问题-2%到2%应变下磁振子手性劈裂如何变化是否存在对称性破缺导致的拓扑相变适合体系所有2D和薄膜磁性体系。输入应变下的DFTU 磁力线性响应 自旋波理论。【继续算 6】自旋波输运磁振子自旋流与非互易传播为什么值得算手性磁振子意味着omega(k)!omega(-k)这直接导致磁振子的非互易传播--自旋波沿k和-k方向的传播速度不同。这对于磁振子逻辑器件至关重要。能回答的问题MnTe2中磁振子的群速度各向异性有多大非互易比v(k)/v(-k)-1是多少适合体系所有手性磁振子体系。输入自旋波色散群速度计算。Wulferding, An, Choi et al. | Adv. Sci. (2026) e76555 | 交错磁体 手性磁振子 Raman光谱 自旋波理论