近日，南方科技大学物理系教授刘奇航课题组在兼具传统铁磁体与反铁磁优势的非常规磁性领域的研究中取得进展，相关评论文章以“Different facets of unconventional magnetism”为题发表在学术期刊《自然物理》（Nature Physics）上。

磁学是凝聚态物理和材料科学中一个基础且广阔的研究领域，由此催生出了以电子自旋为信息载体，通过探测和操控自旋状态以实现信息表达、存储和读写的自旋电子学。过去，自旋电子学的研究主要集中在存在宏观磁化且易受操控的铁磁体，但宏观磁矩的存在也带来了杂散场和易受外场干扰的问题，从而使得实现高密度集成器件变得困难，铁磁器件的运行频率通常限制在GHz量级。相比之下，反铁磁体的净磁矩为零，几乎不存在杂散场，也对外磁场不敏感。同时，反铁磁体的共振频率可达到THz量级，可以实现原子级密度的信息存储。然而，反铁磁体的零净磁矩也使得磁序难以探测和调控。因此，反铁磁材料的发现者、诺贝尔奖得主Louis Néel认为反铁磁材料是“有趣但无用的”(interesting but useless)。

为了应对这些问题，科学家们提出了结合铁磁体特征和反铁磁体构型的新型反铁磁材料，包括自旋劈裂反铁磁体、反常霍尔反铁磁体等。自旋劈裂反铁磁体具有补偿零净磁矩的反铁磁特征，但其不同自旋的磁子格之间的自旋群对称性破坏了非相对论性的自旋简并行为，呈现出反铁磁自旋劈裂的特征。自旋劈裂反铁磁体包括共线反铁磁体中自旋相反的两个磁子格通过实空间旋转等变换相互关联的交错磁体（altermagnetism），以及自旋平移群不存在相互垂直的多个自旋二重转轴的非共线反铁磁体等，其对称性判据在刘奇航团队前期关于自旋空间群理论文章中被完整讨论（Physical Review X 14, 031038 (2024)）。2024年，刘奇航团队与物理系刘畅教授合作在非共面构型的MnTe2中首次发现了反铁磁体中的自旋劈裂现象，证实了这类非常规磁体的存在（Nature 626, 523 (2024)），相关工作入选两院院士评选“2024年中国十大科技进展”的候选新闻（含最终当选新闻共20条）。同年，交错磁体的发现被评为Science年度十大突破进展。

另一类兼具零净磁矩的反铁磁特征和类铁磁特征的材料是反常霍尔反铁磁体。反常霍尔效应通常被认为出现在时间反演破缺的系统中，因而过去被长期认为是具有宏观磁矩的铁磁体的独有行为。近期，人们发现在一些反铁磁体中允许非零贝里曲率的出现。这类非常规磁体包括自旋轨道耦合下的共线/共面反铁磁（例如MnTe和Mn3Sn），以及无自旋轨道耦合极限下允许几何霍尔效应的非共面反铁磁体（例如CoNb3S6）。

在三维的共线反铁磁体中，自旋劈裂需要同时破缺时间反演联合空间反演（PT）对称性和自旋翻转联合晶格分数平移（Uτ）对称性，反常霍尔则是同时破缺PT和时间反演联合晶格分数平移（Tτ）对称性。由于这两个条件在共线自旋群框架下可以相互转化，因此在交错磁性领域迅速发展的同时，人们对于具有不同性质的非常规磁体的理论描述框架和材料选择并不清晰，经常出现“交错磁体描述了所有具有铁磁特征的反铁磁体”的模糊认识。

评论文章首先指出了自旋劈裂反铁磁体和反常霍尔反铁磁体这两类体系的独立关系，澄清了将反铁磁体中不同种类铁磁行为在对称性约束上混为一谈的理论误区。自旋劈裂反铁磁体通过自旋空间群允许动量空间任意波矢出现非零自旋极化定义，而反常霍尔反铁磁体通过磁空间群允许坐标空间非零净磁矩来定义。进而，在寻找兼具铁磁体和反铁磁体优势材料的背景下，评论文章提出的非常规磁性概念囊括了多个凝聚态物理领域的前沿课题，除自旋劈裂和反常霍尔效应之外，还包括量子几何，多铁性，拓扑磁体等，为磁学和自旋电子学中的若干领域提供了新的研究思路。

刘奇航是该文章的第一作者与唯一通讯作者，合作者包括香港科技大学戴希教授以及德国于利希研究所Stefan Blügel教授。南科大为论文第一单位。南方科技大学物理系博士生刘云天（现为纽约州立大学布法罗分校博士后）、博士后陈晓冰（目前任职粤港澳大湾区（广东）量子科学中心副研究员）以及南方科技大学物理系教授刘畅也对该工作做出了重要贡献。