医工交叉前沿｜Nature 重磅！天然手性超晶格拿捏拓扑磁｜手性超晶格实现自旋分裂拓扑反铁磁性

手性已成为量子材料和分子化学中诱导自旋和贝里曲率现象的新机制。共线反铁磁体（AFM）在自旋电子学和拓扑磁学领域具有前景，但实现较大的贝里曲率和自旋分裂带仍具挑战性。这里我们报告了一条手性-超晶格路径，通过共线反铁磁性实现自旋分裂拓扑现象。我们研究共线AFM微晶系，其中展示了由有限波矢上冻结的手性声子产生的自发手性超晶格。没有超晶格，UOTe中纯净的共线AFM既没有贝里曲率，也没有自旋分裂带。当电子通过手征超晶格时，其轨道布洛赫波函数和量子几何会被强手征超晶格势调制，产生较大的贝里曲率，我们通过非线性霍尔效应检测到。在150 K时，手征-超晶格诱导的贝瑞曲率与共线AFM阶级耦合，导致在靠近Néel温度T时突然出现约0.14的异常霍尔角N这是散装磁体中最大的之一。此外，我们的自旋汉勒进动测量表明，手征超晶格还能从共线AFM产生自旋极化电流，这是自旋电子学中长期以来的目标。我们阐明了基于化学离子尺寸和物理层间-层内能量竞争的超调制形成机制，并据此提出设计原理，以发现类似的键错配超晶格，通过量子几何的实空间工程提供手征超晶格通路。

该研究以题为“A chiral superlattice route to spin-split topological antiferromagnetism”发表在Nature上。

图1

a，UOTe的晶体结构与共线AFM。b，UOTe片的电阻（13.3 nm）显示出金属温度依赖性。c，d，UOTe理工科的平面图和横断面图。具有平面内周期 a 的自发超晶格s≈观测到6.7a。e，一组UOTe vdW层的横断面STEM图像。箭头代表U1和U2的位移。f，放大视图，显示通过DFT计算的UOTe声子色散。详见扩展数据图中的完整色散。2. 有限波矢q处的负声子频率与超晶格实验观测到的q一致。g， U1和U2原子位移示意图，它们具有相反的手征绕组结构。相反的绕组结构振幅略有不同，因此不会相互抵消。

图2

a， 由U 6维轨道组成的导电电子可以用一个两组分波函数来描述。随着导电电子在超晶格中移动，布洛赫波函数和贝里曲率偶极子都会被空间调制（见正文）。b， 沿k的净贝里曲率偶极子y可以通过非线性霍尔效应检测到，其中入射电流沿y方向，而所得霍尔电压沿x方向。c，示意测量装置。d，在T = 250 K处UOTe的非线性输运测量。插图展示了UOTe设备的光学图像。e，f，角度依赖的非线性霍尔测量，T = 250 K。两股入射电流的方向以及非线性霍尔电压V。2小时相对于晶体方向同时旋转。角度依赖测量显示当入射电流沿y方向时，显示出较大的非线性霍尔信号，揭示了沿k的方向性贝里曲率偶极子y.g， 通过200 K至300 K之间的温度依赖测量得到的Drude电导率的非线性霍尔电导率。比例条，10微米（d，内嵌）。

图3

a， 共线AFM阶可以打破±k处相反贝里曲率之间的抵消y： x = 0 且 x = as/2具有相反的总贝瑞曲率，由于净手性，这些曲率不会相互抵消。b，k空间中的净贝里曲率生成AHE。c，AHE电导率的温度依赖性。d，125 K时霍尔电阻率的磁场依赖性，显示出明显异常的霍尔滞后环。e，AHE的温度演变，显示在110 K. f附近可达8特斯拉的强制磁场，125 K. g时异常霍尔电阻的角度依赖性，AHE信号的标度行为。

图4

a，b，非局域自旋传输装置的示意图和光学图像，该器件由UOTe片作为自旋注入器组成，Al2O3/Co接触作为自旋检测器，单层石墨烯通道用于自旋传输。UOTe的厚度为27纳米。c，在初始化 AFM I 和 AFM II 态时，初始化 UOTe 后测量的非局部电阻面内磁场依赖性为 1.7 K，而 Co 探测器磁化保持固定。d，Hanle信号曲线拟合于均匀自旋扩散系统时无关布洛赫方程解（详见正文）。e，小的手征不平衡意味着净磁化度会很小。此外，在UOTe中，相关的U5f衍生能带位于费米能级以下，不对费米面有贡献。费米能级电子是小口袋，其对净磁化的贡献自然很小。相比之下，自旋极化电流仅由费米面的自旋极化决定。UOTe在费米能级附近具有自旋分裂半金属能带。电流的自旋极化自然较大。f，模型计算电流自旋极化，作为对称破缺Δ的函数。比例杆，10微米（a）。

图5

a， 手征超调制是三维共价相和二维vdW相之间的中间相，因为层间键和层内排斥能之间的竞争，这些能量可通过化学离子大小调节。b，自由能中出现的层屈曲λ和层间力p的示意图。c，相图作为λ和p的函数，显示超调制作为三维共价相和二维vdW相之间的中间相，并在超调制与二维/三维相的边界处存在额外的奇异孤子-超晶相（参见补充信息第II.1节）。d，用于在其他材料中寻找类似手征超调制的流程图。e–g，DFT计算的声子色散在其他材料中表现出类似的不稳定性（PrOBr （e）、PbFi（f）、CrOBr （g））。

总结

研究从共线反铁磁微晶系入手，借有限波矢冻结的手性声子形成自发手性超晶格。以UOTe作对照，纯净共线反铁磁没有贝里曲率和自旋分裂带；电子穿过手征超晶格后，轨道布洛赫波函数与量子几何受强势调制，产生大贝里曲率，并用非线性霍尔效应检测。该贝里曲率与反铁磁阶级耦合，在150 K近奈尔温度出现约0.14异常霍尔角；自旋汉勒进动还显示其能产生自旋极化电流。

延伸上，工作把超晶格形成归因于化学离子尺寸与层间—层内能量竞争，并据此提出键错配超晶格的设计原则。这样可在实空间工程量子几何，把共线反铁磁转化为具有自旋分裂拓扑响应的手征超晶格平台，为寻找类似体系、探测非线性霍尔和自旋极化电流提供可操作路径，也指向自旋电子学与拓扑磁学的新材料设计。

参考文献：

DOI:10.1038/s41586-026-11073-7

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