不同于以上兩種自旋轉(zhuǎn)移力矩和自旋軌道力矩機制，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料人工智能部提出了新的自旋劈裂矩機制(Spin Splitting Torque, SST)與費米面幾何結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系。通過構(gòu)建費米面各向異性有效理論模型，闡明費米面幾何結(jié)構(gòu)與CSE轉(zhuǎn)化效率對應關(guān)系(圖1)，發(fā)現(xiàn)平坦費米面幾何結(jié)構(gòu)會實現(xiàn)CES轉(zhuǎn)化效率的量子極限(100%)。在傳統(tǒng)反鐵磁體系中，不會產(chǎn)生自旋流。而在交變磁體中，自旋劈裂源于磁有序而非自旋軌道耦合效應，其具備長自旋自由程的特性；當體系的自旋各向異性劈裂增加，引起時間反演反對稱(T-odd)的自旋流，會導致有限的CSE轉(zhuǎn)化效率；當平坦費米面幾何結(jié)構(gòu)出現(xiàn)時d波的自旋各向異性則可達到T-odd類型的CSE轉(zhuǎn)化效率的量子極限。
研究團隊對室溫d波交變磁體KV2O2Se材料進行了理論計算(圖2)，表明KV2O2Se在kz方向上出現(xiàn)平坦費米面(幾乎不存在色散)，并且兩組相互垂直的費米面被相反的自旋量子態(tài)占據(jù)，這與理論建模所揭示的特性非常相近，表明該體系可存在異常大的CSE轉(zhuǎn)化效率。基于團隊自主開發(fā)的量子響應計算程序，進一步計算了KV2O2Se的自旋電導率和CSE轉(zhuǎn)化效率，表明KV2O2Se中可實現(xiàn)沿[110]和[100]方向的橫向和縱向的自旋流。在電荷中性點CSE轉(zhuǎn)化效率可達78%，微弱電子摻雜后CSE更可達到98%。進一步模擬了溫度和材料缺陷的影響，表明KV2O2Se中的CSE轉(zhuǎn)化效率具有很強的魯棒性。
KV2O2Se的結(jié)果與已知的其他材料進行了對比分析(圖3)。KV2O2Se在電荷中性點的CSE顯著高于其他交錯磁體，是備受關(guān)注的RuO2的兩倍，刷新了目前T-odd類 CSE轉(zhuǎn)化效率的記錄。KV2O2Se的自旋電導率可同時在橫向和縱向上達到3.2×104 (?/2e) (S/cm)，流密度領(lǐng)先于絕大多數(shù)目前已有報道的本征磁性材料。該工作提出了通過“費米面幾何工程”實現(xiàn)材料自旋性能調(diào)控可達量子極限的原創(chuàng)思路，并建議了有效的候選材料。
該項研究近期以“d-Wave Flat Fermi Surface in Altermagnets Enables Maximum Charge-to-Spin Conversion”為題近日發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters, 135, 256702 (2025))。中國科學院金屬研究所的特別研究助理賴俊文為第一作者，陳星秋研究員、孫巖研究員以及中國科學院微電子研究所的邢國忠研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委基礎(chǔ)科學中心項目和國家重點研發(fā)計劃等資助。
圖1 各向異性交錯磁體模型的與不同費米面下的電荷-自旋轉(zhuǎn)化效率
圖2 KV2Se2O的電子結(jié)構(gòu)和自旋電導率的理論計算結(jié)果
圖3 KV2Se2O的自旋電導率和電荷-自旋轉(zhuǎn)化率和現(xiàn)有其他研究的對比
