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)。
Figure 2. Schematic illustration on the spin to charge conversion through the inverse altermagnetic spin-splitting effect (IASSE) and the inverse spin Hall effect (ISHE) from the spin current injection using spin Seebeck effect (SSE).
通過製備高品質單晶薄膜，我們觀測到了因RuO2自旋分裂(spin splitting)而產生的自旋電荷轉換，有力的證明了RuO2具有交替磁性。
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。
In order to capture the IASSE in RuO2 experimentally, a few conditions have to be satisfied. Firstly, we need a high-quality epitaxial thin film to ensure the alignment of Néel vectors in a single direction to capture the anisotropy; Secondly, an insulating spin current source is preferred to avoid complications from parasitic effects, such as anomalous Hall and Nernst effects. Thirdly, since RuO2 has spin-orbit coupling (SOT), the charge current generated from IASSE has to be separated from the conventional inverse spin Hall effect (ISHE) that is caused by the SOT. The fulfillment of each requirement is challenging, but excitingly we have achieved them all.
團隊成員合影。上排為台大物理系廖晉德同學（右），田宇誠同學（左），下排為王裕鈞同學（右），黃斯衍教授（左），以及凝態中心曲丹茹助理研究員（中）。
研究成果全文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.056701 文章來源：https://www.ntu.edu.tw/spotlight/2024/2297_20240904.html
Link to the paper: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.056701
Source: https://www.asiaresearchnews.com/content/unveiling-novel-type-magnetism-altermagnetism