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近日，西湖大学理学院物理系吴从军团队和厦门大学潘志明合作，在凝聚态物理的重要期刊Physical Review B发表了题为“Unconventional magnetism in spin-orbit coupled systems”的研究论文（Physical Review B，113, 014426 (2026)）。
自旋电子学是当代信息技术的基石之一，利用电子的自旋极化特性进行信息存储与处理是其核心目标。在电子关联体系中，是否存在超越传统铁磁、反铁磁框架的新型磁性，一直是物理学界探索的前沿问题。近年来，所谓的“交错磁性”（Altermagnetism）引起了凝聚态物理和材料研究领域的广泛注意。它兼具反铁磁体的零净磁矩特性（抗干扰、高频响应）与铁磁体的自旋劈裂特性（产生自旋流），并因其可调控性而备受关注。该方向其实是早年间“非常规磁性”研究方向的自然发展。
早在二十年前，吴从军等人便提出了一种“非常规磁性”理论。 非常规磁性是一大类新的量子金属物态，它们和通常的铁磁不同，其总磁矩为零，但是在动量空间中表现出动量依赖的自旋劈裂（自旋的多极矩），这和自旋轨道耦合效应非常相似。通常的自旋轨道耦合是相对论效应在固体电子系统中的低能残留，是单粒子效应。非常规磁性提供了一种通过量子相变来生成并且调控更加丰富的自旋轨道耦合的可能性。
论文地址：
https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/dy2j-mc2t
什么是“非常规磁性”？
从“完美球体”到“多姿多彩”的费米面和自旋纹理
在经典的朗道费米液体理论中，金属中的电子海洋被一个称为“费米面”的边界所包围，理想情况下它被视为一个对称的球体。然而，当电子之间存在强烈的相互作用时，这个“球体”并不稳定，它可能会发生一种被称为波梅兰丘克不稳定性的自发形变——就像一个受压的气球突然失去了圆球形状。
图1.非常规磁性的费米面形变和自旋分布示意图。这里展示了分别对应于p波和d波的α/β相
早在2004年，吴从军和张首晟教授指出，这种不稳定性不仅能发生在电荷通道（改变球的形状），也能发生在自旋通道（同时改变形状与内部的自旋排列）。这就导致了非常规磁性。基于对空间旋转和自旋旋转SO(3) 对称性的分析，他们发现类似于超流He-3中的A相和B相，这种费米液体自旋通道中的对称性破缺主要有两种模式：
α相（向列相）：费米面像被拉伸或压扁的面团，电子自旋保持共线。这破坏了空间的旋转对称性，好比液晶分子的一致取向。
β相（自旋纹理相）：费米面在大致形状上保持球形，但其表面的电子自旋却形成了复杂的涡旋结构，仿佛在球面上绘制了独特的自旋纹理。
特别地，p波非常规磁性的序参量类似于自旋-轨道耦合，从而能够在不依赖于相对论效应的情况下，动态的产生有效自旋-轨道耦合。d波通道的α相则与交替磁性在对称性上是本质相通的，具有类似的d波费米面劈裂(如图1所示)。
在后续的发展中，吴从军等人在Phys. Rev. B 75, 115103 (2007) 文中，对于非常规磁性进行了系统地研究，包括对于拓扑缺陷进行了基于自旋群对称性分类、集体激发模式、角分辨光电子谱、输运、非弹性中子谱等。特别值得关注的是，研究中发现的d波通道α相，与“交替磁性” 在对称性上是本质相通的 —— 两者均表现出特征性的费米面形变与自旋劈裂，这使得该早期理论重新成为了研究焦点。随后在Phys. Rev. B 80, 104438 (2009)文中，吴从军等人正式提出了 “非常规磁性” 的概念，并且指出在具有轨道杂化的系统中（比如dxz和dyz的能带系统），d波通道的相互作用可以大幅度增强，从而通常的屏蔽库伦相互作用，也可以导致d波非常规磁性。
然而，这一理论面临着“理想与现实”的碰撞：真实材料中，相对论性的显式自旋-轨道耦合总是存在，从而自旋旋转和空间旋转会锁定在一起。这种体系固有的内在力量是会破坏上述非常规的磁性，还是会与其共存？在本次工作中，研究给出了丰富的扩展答案。这些原本的非常规磁性序参量并未被抑制，而是发生了奇妙的对称性重组，衍生出更为丰富的物理图像。这项工作建立了一张普适的对称性“导航图”，为理解和寻找新型磁性材料给出了新的认识。
对称性破缺下的“联姻”：
显式自旋轨道耦合如何重塑量子序？
本项工作的理论基石建立在对显式自旋-轨道耦合环境下对称性破缺的群论分析之上。在不存在显式自旋-轨道耦合的理想极限下，电子的自旋（S）和轨道（L）自由度解耦，系统具备高阶的 SO(3)×SO(3) 对称性。然而，真实材料中的相对论效应打破了这种独立性，将对称性降低为单一的总角动量J=L+S 的SO(3) 对称性，自旋与轨道紧紧“锁定”在一起。这意味着，单独的S或L不再守恒，序参量的分类必须依照总角动量 J 的不可约表示重新进行。
研究团队构建了详尽的相图，揭示了显式自旋-轨道耦合如何像一个精密的“筛子”，从非常规磁性丰富的基态流形中“筛选”出特定的量子通道：例如，当考虑到d波通道 (l=2) 时，这是本研究在理论上的重要拓展。在l=2的高分波通道中，根据具体相互作用参数的不同，显式自旋轨道耦合不仅选择序参量的取向，还可能通过打开能隙导致原本分离的 α 相（共线向列相）与 β 相（非共线纹理相）发生强烈的量子混合，同时导致非平凡费米面形变和自旋纹理。图2详细描绘了这一机制下涌现的丰富相图结构，为理解和寻找具有特定自旋织构的新型磁性材料提供了理论依据。
图2.在d波通道中，自旋轨道耦合可以诱导 α 相与 β 相的混合，形成新型自旋有序态
连接前沿：交替磁性和自旋空间群
对“交错磁性”的研究引发了学界对“自旋空间群”理论的探讨——即在忽略自旋-轨道耦合的理想极限下，自旋旋转与晶格旋转可以分离，从而允许更多新奇磁序的存在。然而，真实材料中无处不在的自旋-轨道耦合是否会破坏这种完美图像的理解？吴从军教授的结果显示出：自旋轨道耦合在此过程中扮演了对称性破缺场的角色，它去除了序参量的简并度，将其“钉扎”在特定的方向上，从而诱导出具有实际观测意义的各向异性费米面劈裂，并产生更为丰富的自旋结构。
该工作的另一大物理意义在于厘清了自旋群对称性在强耦合体系中的适用边界。研究团队强调，即使材料的单粒子色散关系在低能下看似表现出近似的自旋-轨道分离特征（即近似的自旋群对称性），这并不意味着多体哈密顿量也具备同样的内禀对称性。在自旋-轨道耦合体系中，看似被破坏的对称性实则以更丰富的形式重生。显式自旋-轨道耦合效应潜伏在相互作用通道中，决定了基态的最终走向。这一发现为理解电子关联与自旋-轨道耦合共存体系中的演生现象提供了重要的理论基础。
总结与展望
该研究为理解复杂的非常规量子磁性提供了全新的微观视角。它表明即便在具有自旋-轨道耦合的真实环境中，非常规磁性（如对应于交替磁性的d波α相）依然具有极强的鲁棒性，并能够进一步衍生出复杂的自旋纹理与混合序。这一发现超越了单纯依赖自旋空间群分类的传统框架，指出自旋轨道耦合的重要性，为未来探索和理解具有奇异磁序性质的新型量子材料奠定了坚实的理论基石。
上述研究得到了国家自然科学基金、新基石科学基金会、厦门大学启动基金等项目的支持。
