揭開第三類磁性的面紗：交替磁性材料RuO₂的自旋分裂效應研究

由臺灣大學凝態科學研究中心助理研究員曲丹茹所帶領的量子自旋實驗室，其研究團隊成功觀測到各向異性的自旋電流轉換效應，明確的證實RuO₂的自旋分裂效應，此研究成果已於2024年7月發表於頂級物理學期刊Physical Review Letters，同時被期刊編輯推薦獲選為Editors’ suggestion。

鐵磁性 (ferromagnetism, FM) 和反鐵磁性 (antiferromagnetism, AFM) 一直是磁性 (magnetism) 的兩個主要分類。近兩年來，交替磁性 (altermagnetism, AM) 的概念被理論學家提出，被劃分為不同於鐵磁性和反鐵磁性的第三類磁性，給傳統的磁性分類帶來突破性的進展。在理論預測中，AM兼具FM和AFM的優勢，沒有磁矩 (M ≈ 0)，不易受外界干擾，但在特殊方向能帶有自旋分裂 (spin splitting)，產生自旋激化流 (spin polarized current) 翻轉磁矩。是自旋電子應用夢寐以求的理想材料，能實現高密度、高穩定度、讀寫快速的磁性隨機存儲記憶體 (MRAM)。

理論學家預測，只要自旋 (spin) 和晶格 (lattice) 的對稱性不一樣，就有機會產生具有交替磁性的材料。最典型的例子就是金紅石 (rutile) 結構的RuO₂，該材料的晶格具有C₄四重對稱性，自旋具有C₂二重對稱性。若沿著垂直於奈爾向量 (Néel vector) 的方向注入電流，就會在同向或是橫向產生因自旋分裂造成的自旋流。相反的，如果自旋流沿著特定方向注入，RuO₂就可將自旋流轉換成電荷流。

但是實驗上，想要證明RuO₂具有交替磁性並不容易。首先，必須成長出高品質的單晶薄膜材料，並保證奈爾向量的均一排列；第二，需要一個穩定且不會產生寄生效應的輔助材料，如磁性絕緣體Y₃Fe₅O₁₂ (YIG) 來產生注入進RuO₂的自旋電流，再通過RuO₂將自旋流轉換為電荷流，進行量測；第三，RuO₂本身具有自旋軌道耦合效應 (spin-orbit coupling, SOT)，所以需將因SOT產生的自旋流分離出來。以上三點每一點都充滿挑戰，但研究團隊全都做到了。在實驗中，通過成長高品質的YIG/RuO₂/TiO₂（基板）異質結構樣品，研究團隊成功觀測到各向異性的自旋電流轉換效應，明確的證實RuO₂的自旋分裂效應。除此之外，還觀測到YIG的磁滯曲線在磁場沿著和垂直於RuO₂[001]方向時，有明顯的寬窄形狀差別，驗證RuO₂的奈爾向量確實存在於[001]方向，為RuO₂是否具有磁性的爭議帶來重要肯定的證據。

感謝臺大的支持及研究團隊的努力，以及凝態科學研究中心、新穎材料原子級科學研究中心 (AI-MAT) ，和國科會提供給新進人員的啟動經費，讓實驗室可以建立一套高品質薄膜製備系統，以及一套高解析度自旋電流量測系統，讓此卓越的研究能在臺大獨立完成。研究團隊會繼續耕耘在相關領域，期待會獲得更多的突破。

研究成果全文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.056701