交错磁材料结合了铁磁性和反铁磁性质,表现出非平凡的自旋分裂但无净磁化特性,因而在解决自旋电子学中反铁磁有序难以操控的难题上展现了巨大潜力。相比传统磁性材料,交错磁材料在抑制寄生磁场影响、自旋动态增强等方面具有独特优势。然而,目前已知的多数交错磁材料面临能带分裂幅度较小、三维电子结构复杂等问题,亟需寻找具有更大自旋分裂且可用于高效自旋电子学器件的候选材料。在这一背景下,CrSb因其高达700 K的Néel温度和理论预测的1.2 eV能带劈裂被认为是理想候选材料,但其相关实验研究仍较为有限。
基于此,我们课题组采用高分辨角分辨光电子能谱(ARPES)结合密度泛函理论(DFT)计算,对单晶CrSb的电子结构进行了系统研究。我们的实验首次在两个不同晶面((0001)和(10-10))解离的样品中直接观测到以下三大亮点:1)最大自旋分裂的直接观测:在高对称路径以外,例如P-D 路径上,能带分裂幅度最高达0.93 eV,是迄今为止探测交错磁材料中的最大值;2)体g波对称性自旋分裂的清晰证据:实验揭示了CrSb的自旋分裂具有体g波对称性,分布呈现六瓣花状极性,与理论预测高度一致,展示了其非相对论自旋对称操作(如[C2||C6zt])的典型特性;3)晶面方向对电子结构的调控效应:在(10-10)表面观测到独特的“哑铃形”费米面结构,与(0001)表面的对称分布模式形成鲜明对比,显示出晶面方向对自旋分裂行为的显著调控作用。
这些发现不仅确认了CrSb作为体g波对称性交错磁材料的典型性,还为交错磁材料的实际应用提供了重要的实验依据。特别是其超大的非相对论自旋分裂特性,为开发新型自旋电子学器件(如自旋阀和磁隧道结)奠定了基础。相关研究成果已发表于Physical Review Letters 133, 206401(2024)。