清华与中科大团队实现交错磁体磁畴实空间成像 | NSR

交错磁体作为近年来凝聚态物理与自旋电子学领域新确立的一类磁有序体系，其核心特征在于实空间中的严格磁矩补偿（净磁化强度为零）与倒空间中的自旋劈裂能带结构共存。相较于传统的铁磁体和反铁磁体，这种由晶体对称性诱导的电子结构赋予了交错磁体独特的电、光和热电响应特性，使其迅速成为前沿研究热点。然而，该领域的发展面临一项关键的表征瓶颈：交错磁体中应该存在奈尔矢量取向相反的两种磁畴（即0°畴与180°畴），尚缺乏实验表征手段。当这两类磁畴在宏观区域内以相近比例共存时，其对应的自旋劈裂物理效应将在空间上相互抵消，导致宏观磁响应信号被极大抑制。因此，依赖于空间平均信号测量的传统实验技术（如电输运、磁光效应及光电子能谱）在探测此类材料时往往失效，尤其是难以实现对交错磁体0°/180°磁畴的实空间成像。这一技术空白不仅限制了对该磁相微观机制的深入理解，甚至引发了关于某些候选材料（如RuO₂）是否真正具备交错磁序的实验争议，亟需发展新的表征手段来突破这一瓶颈。

针对这一挑战，清华大学材料学院、中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心和香港科技大学物理系合作团队，提出并验证了一种基于局域热效应探测交错磁畴的原创性方法。研究团队创新性地利用锁相红外热成像技术测量Pt/RuO₂异质结中的自旋依赖帕尔贴效应（spin-dependent Peltier effect），实现了对交错磁体180°磁畴的直接可视化。

该方案的物理机制在于：交错磁体独特的自旋劈裂能带结构，导致其界面热电响应与奈尔矢量取向紧密关联。当纯自旋流由Pt注入RuO₂时，自旋依赖的帕尔贴效应会在界面处引起局域吸热或放热，其热流符号由RuO₂中奈尔矢量的方向直接决定。借助高灵敏度的锁相红外技术，研究团队成功将这一与磁畴取向相关的微弱热信号转化为高衬度的磁畴图像，从而首次实现了交错磁性材料中的0°畴/180°畴的空间成像。该工作不仅为交错磁体的磁畴结构研究提供了全新的实验范式，也为解决该领域长期存在的材料本征表征争议开辟了有效途径。相关研究成果以“Thermal imaging of 180° domain contrast in altermagnetic RuO₂”为题，于2026年发表于《国家科学评论》(National Science Review)，该文将收录在“非常规磁性”专题中，是该专题的邀稿文章。清华大学材料学院博士生戴健坤和香港科技大学博士生符兮之为论文第一作者，清华大学材料学院宋成教授、中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心侯达之教授、以及清华大学材料学院白桦博士为该论文的共同通讯作者。

图1： 交错磁体中的自旋相关帕尔贴效应与传统帕尔贴效应的对比

基于这一创新方法，研究团队在交错磁体候选材料RuO₂中取得了突破性进展。实验成功实现了微米级分辨率的磁畴实空间成像，清晰展现了RuO₂薄膜中0°和180°磁畴的空间分布特征，并发现这些磁畴呈现出强烈的择优排列，在数十微米尺度上具有连贯性。更为重要的是，研究团队发现通过磁场冷却过程可以确定性控制磁畴排列：当样品从高于奈尔温度的温度（约400 K ）在磁场作用下冷却至室温时，外加磁场的方向可以决定奈尔矢量的最终取向，从而实现磁畴的极性控制。这一发现解决了长期以来困扰交错磁体研究的磁畴操纵难题。研究团队进一步通过自旋相关塞贝克效应的测量验证了磁畴可控翻转的效果：在经过不同方向的磁场退火处理后，热梯度诱导的自旋流产生的有效磁场方向也随之改变，使近邻铁磁层磁滞回线位移的符号发生翻转，直接证实了奈尔矢量的重新取向。上述研究成果建立了基于自旋相关热电效应的实用化表征方法，为交错磁体磁畴的实空间表征提供了强有力的新工具；与此同时，该研究通过直接观测到RuO₂中交错磁畴的优选排列，为RuO₂中存在交错磁性提供了确凿的实验证据，有助于澄清相关的学术争议；此外，自旋-热转换效应及其互逆过程在交错磁体中的实现，为自旋热电子学在这一新兴材料体系中的应用开辟了新的道路，为未来基于热-自旋耦合的自旋电子器件设计提供了全新的思路和可能性。

图2：利用锁相红外热成像技术实现交错磁体RuO₂磁畴的热成像

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https://doi.org/10.1093/nsr/nwag203