最近一篇發表在《自然》雜志上的論文，利用光電子能譜和從頭計算的方法，發現了一種新的磁性相，叫做交替磁性相（altermagnetic），它可以在沒有凈磁化和反演對稱性破缺的情況下，實現克拉默斯自旋簡并的消除。這是一個非常重要的發現，因為它揭示了一種新的對稱性破缺的機制，可能導致一些新奇的物理現象和應用。

那么，什么是克拉默斯自旋簡并呢？為什么它的消除是有意義的呢？我們先來回顧一下一些基本的物理概念。你們可能都知道，電子是一種具有自旋的費米子，它的自旋可以取兩個值，分別用上箭頭和下箭頭表示。如果我們把電子放在一個晶體中，它的能量就會受到晶體的勢能的影響，形成一些允許的能級。如果晶體具有反演對稱性，那么根據量子力學的對稱性原理，每個能級都會有兩個簡并的態，分別對應于自旋向上和向下的電子，這就是克拉默斯定理的內容。克拉默斯定理告訴我們，反演對稱性保證了自旋簡并的存在。

那么，如果我們想要消除自旋簡并，我們就需要破壞反演對稱性。這可以通過兩種方式實現。一種是在晶體中引入磁化，也就是說，讓電子的自旋有一個優先的方向。這樣，自旋向上和向下的電子就會受到不同的磁場作用，導致能級發生分裂。這種情況下，自旋簡并的消除是由于時間反演對稱性的破缺，因為磁場會改變電子的運動方向。這種機制在鐵磁體中是很常見的，而且效果很強，因為磁化是由非相對論的交換作用產生的，它是一種很強的相互作用。

另一種是在晶體中引入自旋軌道耦合，也就是說，讓電子的自旋和軌道運動有一個耦合的關系。這樣，自旋向上和向下的電子就會受到不同的晶體勢能的影響，導致能級發生分裂。這種情況下，自旋簡并的消除是由于空間反演對稱性的破缺，因為自旋軌道耦合會改變電子的空間分布。這種機制在非中心對稱的晶體中是很常見的，但是效果很弱，因為自旋軌道耦合是由相對論效應產生的，它是一種很弱的相互作用。

那么，這兩種機制是不是就是唯一的方式呢？有沒有可能在一個中心對稱且無磁化的晶體中，也能實現自旋簡并的消除呢？這就是這篇論文要探討的問題。作者發現了一種新的磁性相，叫做交替磁性，它可以在沒有凈磁化和反演對稱性破缺的情況下，實現克拉默斯自旋簡并的消除。這是怎么做到的呢？我們來看看他們的實驗和理論。

研究人員選擇了一種叫做MnTe的晶體作為研究對象。這種晶體具有六方晶系的結構，它是中心對稱的，也就是說，它具有反演對稱性。它的磁性是由于其中的錳（Mn）原子的自旋排列，它們形成了一個復雜的反鐵磁序。這種反鐵磁序在低溫下是穩定的，但是在高溫下會發生相變，變成一種無序的順磁相。這種相變的溫度叫做居里溫度，對于MnTe來說，它大約是307K。

論文作者使用了一種叫做光電子能譜的技術，來測量MnTe的電子能帶結構。光電子能譜是一種利用光子激發電子逸出晶體表面的方法，通過測量逸出電子的能量和角度，可以得到晶體內部電子的能量和動量的分布。作者使用了一種叫做同步輻射的光源，它可以產生高能量和高亮度的X射線，從而可以激發出深層的電子，而不僅僅是表面的電子。這樣，可以得到更完整和更準確的能帶結構。

作者發現，在低溫的反鐵磁相中，MnTe的能帶結構出現了明顯的自旋分裂，也就是說，自旋向上和向下的電子的能級不一樣。這意味著，克拉默斯自旋簡并被消除了。但是，這種自旋分裂并不是由于時間反演對稱性的破缺，因為MnTe沒有凈磁化，也沒有外加磁場。也不是由于空間反演對稱性的破缺，因為MnTe是中心對稱的，也沒有外加電場。那么，這種自旋分裂是由什么原因造成的呢？

作者通過從頭計算的方法，對MnTe的電子結構進行了理論模擬。從頭計算是一種基于第一性原理的數值計算方法，它可以根據晶體的原子位置和電子相互作用的基本規律，來計算晶體的電子結構。作者發現，MnTe的自旋分裂是由于一種叫做交替磁性的相互作用，它是一種超越自旋軌道耦合的新的對稱性破缺的機制。

交替磁性是指，在一個中心對稱且無磁化的晶體中，電子的自旋和晶體的晶格振動有一個耦合的關系，這種耦合會導致電子的自旋在不同的晶格位置有不同的取向，從而實現自旋簡并的消除。這種耦合是由于晶格振動引起的晶體的局域反演對稱性的破缺，也就是說，雖然整個晶體是中心對稱的，但是在局部的尺度上，晶體的結構會發生微小的變化，這些變化會影響電子的自旋。這種機制在高溫的順磁相中也存在，但是效果很弱，因為晶格振動的幅度很小，而且電子的自旋是無序的。

這個發現對于磁性物理的發展有什么意義呢？首先，它拓展了我們對磁性相的認識，讓我們知道了除了傳統的鐵磁相和反鐵磁相之外，還有一種新的磁性相，它有著獨特的自旋對稱性和自旋分裂機制。其次，它激發了我們對交替磁相的探索和利用，讓我們有了一種新的手段來調控自旋自由度，從而實現一些新的物理效應和技術應用。