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研究背景

反鐵磁材料是具有互相對齊的自旋的材料，因其潛在的應用前景，如低功耗自旋電子器件和高密度信息存儲，近年來成為了研究熱點。然而，傳統的反鐵磁材料由于其缺乏宏觀磁化和時間反轉對稱性（TtS），難以實現類似于鐵磁材料的霍爾效應，因此難以用電信號讀寫自旋狀態，這成為其廣泛應用的一大挑戰。

為了解決這一問題，近年來，科學家們提出了在特定條件下，某些反鐵磁材料可以通過破缺TtS，誘導自發霍爾效應。具體來說，當反鐵磁材料具有適當的晶體對稱性，并且非磁性離子以階梯狀排列時，↑↓和↓↑自旋狀態不再對稱，可以破缺TtS，從而產生類似鐵磁材料的霍爾效應。這一現象為反鐵磁材料在信息存儲和自旋電子學中的應用提供了新的方向。

成果簡介

有鑒于此，東京大學Rina Takagi, Ryosuke Hirakida，Shinichiro Seki等教授在Nature Materials期刊上發表了題為“Spontaneous Hall effect induced by collinear antiferromagnetic order at room temperature”的最新論文。最近的研究表明，FeS等材料在室溫下展示了自發霍爾效應，這一效應與磁化強度無關，而是由破缺TtS的反鐵磁有序結構引起的虛擬磁場產生的。該研究為反鐵磁材料在高效、低功耗的信息讀取和寫入提供了可能性，并且為實現無磁化的自旋介質提供了新的理論依據。

研究亮點

（1）實驗首次在共線反鐵磁材料FeS中觀察到自發霍爾效應，得到了該材料在室溫下具有與鐵磁材料相似的霍爾效應表現。

（2）實驗通過對FeS樣品的霍爾效應測量，發現該材料的↑↓和↓↑自旋狀態分別引起相反符號的自發霍爾效應，且這種效應并不來源于磁化強度，而是與對稱性破缺的反鐵磁有序結構相關的虛擬磁場有關。

（3）實驗表明，FeS在室溫下具有可用于電讀寫的自發霍爾效應，這為在導電系統中實現↑↓和↓↑自旋狀態的電讀寫提供了新的可能性。

圖文解讀

圖1:各種類型的共線磁體和自發霍爾效應分類。

圖2: 室溫共線反鐵磁體FeS中的自發霍爾效應。

圖3: 在易平面（易軸）共線反鐵磁態中，存在（不存在）自發霍爾信號。

圖4: 在FeS中，自發霍爾效應的微觀起源分析。

結論展望

本文的研究揭示了TtS破缺的共線反鐵磁體（如FeS）具有類似鐵磁體的功能響應，但其凈磁化強度接近零。這一發現為傳統反鐵磁體在自旋電子學中的應用提供了新的思路。自發霍爾效應的觀察不僅為反鐵磁體中自旋狀態（↑↓和↓↑）的電讀出提供了可能，還預測了其在光學和熱學領域的潛在應用，如磁光克爾效應和Nernst效應。

研究表明，通過自旋轉移矩或自旋軌道矩，能夠實現時間反轉域的電寫入，這為自旋存儲和信息處理提供了新的技術路徑。TtS破缺的反鐵磁體在保持極低磁化的同時，能夠實現類似鐵磁體的功能特性，開辟了新型自旋電子學材料的研究方向，并為未來開發高效能、低功耗的信息存儲和處理器件提供了理論依據和實驗支持。這一成果不僅挑戰了傳統反鐵磁體的應用限制，還為材料科學提供了新的視角，推動了自旋電子學領域的發展。

文獻信息

Takagi, R., Hirakida, R., Settai, Y. et al. Spontaneous Hall effect induced by collinear antiferromagnetic order at room temperature. Nat. Mater. (2024).

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