【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，北京理工大學物理學院馮萬祥教授、姚裕貴教授團隊在磁性材料及其反常輸運性質的研究中取得重要進展。他們在二維共線磁體中發(fā)現(xiàn)一種新的磁相：在非相對論極限下能帶保持自旋簡并，而引入自旋軌道耦合后可出現(xiàn)反常霍爾效應，且可由自旋中性流驅動，并伴隨全動量空間的 persistent spin texture。這是一類區(qū)別于鐵磁、反鐵磁和交錯磁的第四類共線磁相。該工作以“Anomalous Hall Effect in Type IV 2D Collinear Magnets”為題發(fā)表于國際物理學頂級期刊《Physical Review Letters》。北京理工大學為該工作的唯一完成單位，馮萬祥教授和姚裕貴教授為論文的共同通訊作者，博士生白羚為論文的第一作者，張閏午特別研究員為論文的共同作者。該工作得到科技部重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等項目的支持。
 

　　在磁性材料中，原子間的交換相互作用決定了自旋磁矩的排列方式，進而形成兩種主要的磁有序形態(tài)：鐵磁體和反鐵磁體。反鐵磁體因其無雜散磁場以及太赫茲量級的超快自旋動力學等特性，被視為實現(xiàn)超高密度和超高速自旋電子學器件的理想平臺，其性能有望超越傳統(tǒng)的、基于鐵磁體的自旋電子學器件。然而，反鐵磁體的補償磁化特性導致其磁序難以探測與調控，存在磁信號微弱、磁電響應復雜等挑戰(zhàn)。為突破鐵磁體與反鐵磁體的局限性，研究者開始關注非常規(guī)磁體。交錯磁體作為近年來提出的一種新型磁性態(tài)，兼具鐵磁體與反鐵磁體的優(yōu)點，為自旋電子學器件的發(fā)展提供了全新的可能性。
 

　　由于在器件集成中展現(xiàn)出優(yōu)異的可擴展性、可調控性和良好的兼容性，二維磁性材料受到廣泛關注。自從在單層或少層結構中實現(xiàn)穩(wěn)定的長程磁有序以來，研究者已迅速構建了二維鐵磁體與反鐵磁體的材料數(shù)據(jù)庫。然而，受限于低維系統(tǒng)中更為嚴格的對稱性約束，至今僅有約20種二維交錯磁材料被理論預測，遠少于三維體系(超過200個)，且尚無實驗證據(jù)予以支持。因此，迫切需要探索新的非常規(guī)二維磁性體系，以拓展高性能自旋電子器件的材料候選庫，并提供實驗驗證的可能路徑。
 

圖1：二維共線磁體的分類。
 

　　北京理工大學研究團隊基于嚴格的自旋群理論分析，對二維共線磁體進行了系統(tǒng)分類，首次提出區(qū)別于鐵磁、反鐵磁和交錯磁的新型第四類磁體(圖1)。在非相對論極限下，由于[C2||C2z]或[C2||Mz]對稱性的保護，該類磁體呈現(xiàn)出自旋簡并的能帶結構；引入自旋軌道耦合后，盡管其凈磁化強度為零，仍可實現(xiàn)時間反演對稱性破缺的響應，如反?；魻栃淮蚱屏?ldquo;共線磁體中產生反?；魻栃仨氁蕾嚪窍鄬φ撃軒Ы粨Q劈裂”的傳統(tǒng)認識。研究團隊進一步建立了識別此類磁體的對稱性判別準則，并結合第一性原理計算，從二維材料數(shù)據(jù)庫中篩選出多個候選材料。以單層 Hf2S 為例，研究表明其在無自旋軌道耦合時能帶呈現(xiàn)自旋簡并特征；而在引入自旋軌道耦合后，可以出現(xiàn)由自旋極化流乃至自旋中性流驅動的反常霍爾效應(圖2)，還伴隨一個受對稱性保護、覆蓋整個動量空間的持久自旋紋理(persistent spin texture)，展現(xiàn)出超長的自旋壽命等優(yōu)異性質。此外，研究團隊還深入揭示了反?；魻栯妼实奈⒂^機制。結果顯示，在空穴摻雜條件下，貝里曲率主要來源于交錯階梯躍遷能帶之間的貢獻(圖3)。該研究不僅擴展了二維共線磁體的分類體系，豐富了磁性物態(tài)的理論圖譜，也為在二維材料中實現(xiàn)非常規(guī)自旋電子學功能提供了新的思路和材料平臺。
 

　　圖2：(a) Hf2S的晶體結構；(b) 非相對論能帶；(c) sz投影的相對論能帶、自旋極化率p和反?；魻栯妼?sigma;xy。
 

　　圖3：(a) 自旋守恒、自旋翻轉及總的反常霍爾電導率σxy；(b) P2處sz投影的費米面及貝里曲率Ωxy；(c) 動量空間Ba-Γ-Bb路徑上的非相對論和相對論能帶、以及P2處的貝里曲率Ωxy。