近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院馮萬(wàn)祥教授、姚裕貴教授團(tuán)隊(duì)在磁性材料及其反常輸運(yùn)性質(zhì)的研究中取得重要進(jìn)展。他們?cè)诙S共線磁體中發(fā)現(xiàn)一種新的磁相：在非相對(duì)論極限下能帶保持自旋簡(jiǎn)并，而引入自旋軌道耦合后可出現(xiàn)反?；魻栃?yīng)，且可由自旋中性流驅(qū)動(dòng)，并伴隨全動(dòng)量空間的 persistent spin texture。這是一類(lèi)區(qū)別于鐵磁、反鐵磁和交錯(cuò)磁的第四類(lèi)共線磁相。該工作以“Anomalous Hall Effect in Type IV 2D Collinear Magnets”為題發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)頂級(jí)期刊《Physical Review Letters》。北京理工大學(xué)為該工作的唯一完成單位，馮萬(wàn)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)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(jìn)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(wú)雜散磁場(chǎng)以及太赫茲量級(jí)的超快自旋動(dòng)力學(xué)等特性，被視為實(shí)現(xiàn)超高密度和超高速自旋電子學(xué)器件的理想平臺(tái)，其性能有望超越傳統(tǒng)的、基于鐵磁體的自旋電子學(xué)器件。然而，反鐵磁體的補(bǔ)償磁化特性導(dǎo)致其磁序難以探測(cè)與調(diào)控，存在磁信號(hào)微弱、磁電響應(yīng)復(fù)雜等挑戰(zhàn)。為突破鐵磁體與反鐵磁體的局限性，研究者開(kāi)始關(guān)注非常規(guī)磁體。交錯(cuò)磁體作為近年來(lái)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(diǎn)，為自旋電子學(xué)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(kuò)展性、可調(diào)控性和良好的兼容性，二維磁性材料受到廣泛關(guān)注。自從在單層或少層結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的長(zhǎng)程磁有序以來(lái)，研究者已迅速構(gòu)建了二維鐵磁體與反鐵磁體的材料數(shù)據(jù)庫(kù)。然而，受限于低維系統(tǒng)中更為嚴(yán)格的對(duì)稱(chēng)性約束，至今僅有約20種二維交錯(cuò)磁材料被理論預(yù)測(cè)，遠(yuǎn)少于三維體系(超過(guò)200個(gè))，且尚無(wú)實(shí)驗(yàn)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(kù)，并提供實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的可能路徑。
 

圖1：二維共線磁體的分類(lèi)。
 

　　北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于嚴(yán)格的自旋群理論分析，對(duì)二維共線磁體進(jìn)行了系統(tǒng)分類(lèi)，首次提出區(qū)別于鐵磁、反鐵磁和交錯(cuò)磁的新型第四類(lèi)磁體(圖1)。在非相對(duì)論極限下，由于[C2||C2z]或[C2||Mz]對(duì)稱(chēng)性的保護(hù)，該類(lèi)磁體呈現(xiàn)出自旋簡(jiǎn)并的能帶結(jié)構(gòu)；引入自旋軌道耦合后，盡管其凈磁化強(qiáng)度為零，仍可實(shí)現(xiàn)時(shí)間反演對(duì)稱(chēng)性破缺的響應(yīng)，如反常霍爾效應(yīng)；打破了“共線磁體中產(chǎn)生反?；魻栃?yīng)必須依賴(lài)非相對(duì)論能帶交換劈裂”的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了識(shí)別此類(lèi)磁體的對(duì)稱(chēng)性判別準(zhǔn)則，并結(jié)合第一性原理計(jì)算，從二維材料數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出多個(gè)候選材料。以單層 Hf2S 為例，研究表明其在無(wú)自旋軌道耦合時(shí)能帶呈現(xiàn)自旋簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)的反常霍爾效應(yīng)(圖2)，還伴隨一個(gè)受對(duì)稱(chēng)性保護(hù)、覆蓋整個(gè)動(dòng)量空間的持久自旋紋理(persistent spin texture)，展現(xiàn)出超長(zhǎng)的自旋壽命等優(yōu)異性質(zhì)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還深入揭示了反常霍爾電導(dǎo)率的微觀機(jī)制。結(jié)果顯示，在空穴摻雜條件下，貝里曲率主要來(lái)源于交錯(cuò)階梯躍遷能帶之間的貢獻(xiàn)(圖3)。該研究不僅擴(kuò)展了二維共線磁體的分類(lèi)體系，豐富了磁性物態(tài)的理論圖譜，也為在二維材料中實(shí)現(xiàn)非常規(guī)自旋電子學(xué)功能提供了新的思路和材料平臺(tái)。
 

　　圖2：(a) Hf2S的晶體結(jié)構(gòu)；(b) 非相對(duì)論能帶；(c) sz投影的相對(duì)論能帶、自旋極化率p和反?；魻栯妼?dǎo)率σxy。
 

　　圖3：(a) 自旋守恒、自旋翻轉(zhuǎn)及總的反?；魻栯妼?dǎo)率σxy；(b) P2處sz投影的費(fèi)米面及貝里曲率Ωxy；(c) 動(dòng)量空間Ba-Γ-Bb路徑上的非相對(duì)論和相對(duì)論能帶、以及P2處的貝里曲率Ωxy。