自旋玻璃是由無序取向的自旋凍結形成的系統，也是最簡單和最典型的一種玻璃態。半個多世紀以來，關于自旋玻璃的研究提出了很多新的理論概念和模型,有力地推動了統計物理學的發展，也在蛋白質折疊、神經網絡和優化算法等領域有重要的指導意義。2021年意大利科學家喬治·帕里西（Giorgio Parisi）因自旋玻璃的理論研究工作獲得了諾貝爾物理學獎。自旋玻璃材料中存在許多新奇的物理現象，例如自旋阻挫和手性引起的拓撲磁結構及拓撲霍爾效應等，因而它們在自旋電子學器件等方面也具有潛在的應用價值。

圖1. FCNM塊體合金的直流(a-c)與交流(d-f)磁化強度隨溫度的變化。

由四、五種以上等量或大約等量金屬形成的合金稱為高熵合金，作為一類新型的無序合金材料在近年來受到廣泛關注。它們通常由四、五種及以上近等原子比的金屬元素組成，突破了傳統合金以單種元素為主的成分設計理念，因此也被稱作多主元合金或化學復雜合金。與以往經驗不同的是，化學復雜合金由于其高混合熵帶來的影響，更傾向于形成穩定的固溶體，而不會形成復雜的金屬間化合物等。而且它往往展現出任一組元都不具備的獨特性能。此外和傳統合金相比，高熵合金跳出了傳統合金的設計框架，具有巨大的成分空間和豐富的物理性質，因而具有廣闊的應用前景。

近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室汪衛華院士團隊的于吉皓博士生在白海洋研究員、孫保安副研究員指導下，在Fe-Co-Ni-Mn四元高熵合金（以下簡稱FCNM合金）體系里觀察到具有很高玻璃轉變溫度的自旋玻璃態。通過調節成分，該合金的自旋玻璃轉變溫度最高可達室溫以上，為迄今為止報道的最高自旋玻璃轉變溫度的材料。該自旋玻璃態可以在很寬的成分區間內穩定存在，并且其相變溫度可以在大范圍內連續調節（見圖1）。

圖2. (a,b) DFT計算不同成分FCNM合金體系電子分波態密度與磁矩分布情況。(c) FCNM塊體合金的磁性相圖。

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為了解釋自旋玻璃相的形成機制和超高轉變溫度的起源，他們通過DFT計算發現體系內Fe、Co、Ni原子的磁矩傾向于平行排列，而Mn 原子傾向于反向平行排列（見圖2）。當它們形成合金時，四種元素隨機地占據面心立方晶格，產生高度的磁阻挫，最終導致自旋玻璃相的形成。

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另外，該體系中磁性原子間的直接相互作用強度遠高于稀磁合金等傳統自旋玻璃中的RKKY間接相互作用，使得該體系的磁阻挫程度更高、自旋玻璃態更加穩定，轉變溫度顯著提高。當調節Mn元素的比例時，體系內的阻挫程度也會隨之變化，從而改變自旋玻璃態的轉變溫度。這種新型合金體系的發現不僅提出了自旋玻璃和磁阻挫材料設計的新思路，其超高轉變溫度與成分可調控的特點也為自旋玻璃材料的實際應用提供了更多可能。該工作以“Robust spin glass state with exceptional thermal stability in a chemically complex alloy”為題發表于Physical Review Materials?6, L091401 (2022)。

圖3. (a-c) FCNM合金薄膜中拓撲霍爾效應的產生原理及測量方法。(d,e) 拓撲霍爾效應強度隨磁場和溫度的變化情況。

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拓撲霍爾效應是手性自旋結構的電輸運響應，可以作為探測和理解這類新奇磁有序結構的有力工具。迄今為止，拓撲霍爾效應僅在一些非中心對稱的超晶格體系、磁性異質結和三角格子磁體中發現和報道，它們的形成機制是對稱性破缺導致的DM相互作用破壞了自旋的共線排布，或是幾何阻挫使得RKKY相互作用的大小和符號發生改變。高熵合金中存在由原子隨機占位產生強烈的磁阻挫效應，也會導致長程磁有序的破壞和非共線磁性的產生，因此可以作為手性自旋結構的一種新的產生機制。

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進一步，他們首先采用物理氣相沉積將FCNM合金制備成薄膜，然后對其進行了系統的電輸運和磁性表征。結果表明，樣品中可以測量到強度高達1.92 μΩ·cm的顯著的拓撲霍爾效應，并且可以在很寬的溫度和磁場范圍內存在（見圖3）。為了進一步探究拓撲霍爾效應的產生機制，他們進行了洛倫茲電鏡和小角中子散射實驗，發現樣品在很低的磁場下就轉變為單疇結構，但疇內的磁矩仍然是非共線的（見圖4）。DFT計算結果表明在0 K溫度下，即使考慮SOC效應的影響并允許磁矩在三維空間內轉動，磁矩仍傾向于以共線的方式排布，這說明FCNM合金中的手性自旋結構是一種熱激活現象。蒙特卡洛模擬結果不僅進一步證實了這一結論，還發現拓撲霍爾效應的溫度依賴與垂直磁各向異性有關。結合上述實驗、計算和模擬結果，他們將拓撲霍爾效應的物理起源歸結為原本各向同性的自旋排布在外磁場的作用下出現擇優取向，從而導致標量自旋手性（定義為鄰近局域自旋向量所張成的固體角大小）不再互相抵消并整體顯現出凈值。

圖4. (a-c) 洛倫茲電鏡觀察樣品中的磁疇壁隨磁場的演化。(d,e) 不同磁場下小角中子散射強度及其沿平行和垂直磁場方向的角度積分。

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由于拓撲霍爾效應與體系的自旋手性成正比，因此其強度在無磁場和飽和磁場條件下皆為零，而在中間強度磁場下顯現。這一起源與以往報道過的存在手性自旋的體系都截然不同，為設計和制備手性自旋體系開辟了新的方向。此外，FCNM高熵合金具有簡單的面心立方結構，且制備工藝簡單，性能易調控，這不僅為手性自旋結構的研究提供了一個很好的材料體系，將來也有可能應用于自旋電子學器件。相關工作以“Observation of topological Hall effect in a chemically complex alloy”為題發表于Advanced Materials 202308415 (2024)。于吉皓為論文的第一作者，物理所孫保安副研究員、白海洋研究員和廣西大學李子安教授為論文的共同通訊作者，合作者包括東莞散裂中子源柯于斌研究員等。

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該系列研究得到了國家自然科學基金委重大項目和基礎科學中心項目、科技部國家重點研發計劃、中國科學院戰略性先導科技專項和廣東省基礎和應用基礎重大項目的資助。