北理工團隊在反鐵磁面內反常霍爾效應的研究中取得重要進展
發布日期：2023-04-27 供稿：物理學院 攝影：物理學院
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近日，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊在PT對稱（空間-時間反演聯合對稱）的反鐵磁體系中提出了面內磁場誘導的反常霍爾效應（IPAHE）。該項研究成果嚴格論證了在PT對稱反鐵磁體系中實現IPAHE的最低對稱性要求，詳細列出了所有滿足條件的磁點群，提供了有效地搜索和設計具有IPAHE的反鐵磁材料的方法，將促進它們在低功耗自旋電子學上的應用。相關成果近期發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。
反常霍爾效應，磁性材料中最基本的輸運現象之一，不僅是諸多低功耗量子效應的物理原型，也是拓撲量子物態的重要基石。姚裕貴教授二十年來一直致力于該效應的研究，在該領域做出過開拓性的工作，比如率先發展了反常霍爾效應的第一性原理計算方法；定量研究了反常霍爾效應中基于貝里曲率的內稟機制，糾正了之前“外在機制占主導，內稟機制不重要”的普遍看法，顛覆了傳統認識并被獨立實驗證實[Phys. Rev. Lett. 92, 037204 (2004)]；部分成果被寫進了M. P. Marder的流行教科書《Condensed Matter Physics》；推動了該領域的迅速發展。在通常的反常霍爾效應中，磁場/磁化、電場和霍爾電流相互垂直。近期理論研究發現，面內的磁化也可以導致反常霍爾效應，（稱為面內反常霍爾效應，IPAHE），然而以往IPAHE的研究主要關注具有非零磁化的鐵磁或者亞鐵磁系統。在應用上，凈磁化為零的反鐵磁系統相比鐵磁或亞鐵磁系統具有諸多優勢，如較強的抗磁場干擾、較快的自旋動力學、以及較高的堆積密度。那么，反鐵磁系統中是否也存在新奇的IPAHE值得深入研究。
最近，姚等人提出了在反鐵磁系統中實現IPAHE的對稱性條件，并給出了實驗上切實可行的材料搜索和設計的方案。針對一大類PT對稱的反鐵磁系統，他們發現面內的磁場通過自旋傾斜效應可以誘導面外貝里曲率，進而產生大的IPAHE，如圖1所示。他們給出了包含PT對稱反鐵磁體系在內的所有可能荷載IPAHE的磁點群列表。在材料實現方面，他們給出了兩種有效可行的方案：一種是通過調控現有的材料來滿足對稱性要求，即自上而下的方法；另一種方法是通過設計新材料來滿足對稱性的要求，即自下而上的方法。他們選取了兩類代表性的材料（CuMnAs和新型的VS2-VS超晶格）為例進行了第一性原理的計算，并討論了面內反常霍爾效應的實驗探測，如圖2所示。此外，理論與實驗合作的VS2-VS超晶格中面內反常霍爾效應的工作去年已發表在《自然》雜志上 [Nature 609, 46 (2022)]。
圖1: 在PT對稱的反鐵磁系統中產生面內反常霍爾效應的示意圖。
圖2: 應力下CuMnAs和VS2-VS超晶格中的面內和面外的反常霍爾電導率。
該工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、中科院先導項目的支持。北京理工大學博士生曹晉和蔣偉教授為共同第一作者，強磁場科學中心周建輝研究員和北京理工大學姚裕貴教授為共同通訊作者。北京理工大學周家東教授、李小平博士以及強磁場中心博士生涂岱峰為論文的合作者。
論文信息：Jin Cao, Wei Jiang, Xiao-Ping Li, Daifeng Tu, Jiadong Zhou, Jianhui Zhou, and Yugui Yao, "In-Plane Anomalous Hall Effect in PT-Symmetric Antiferromagnetic Materials", Phys. Rev. Lett. 130, 166702 (2023)
文章鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.166702
