自旋玻璃是由無序取向的自旋凍結(jié)形成的系統(tǒng)，也是最簡單和最典型的一種玻璃態(tài)。半個(gè)多世紀(jì)以來，關(guān)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(dòng)了統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的發(fā)展，也在蛋白質(zhì)折疊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和優(yōu)化算法等領(lǐng)域有重要的指導(dǎo)意義。2021年意大利科學(xué)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(xué)獎(jiǎng)。自旋玻璃材料中存在許多新奇的物理現(xiàn)象，例如自旋阻挫和手性引起的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)及拓?fù)浠魻栃?yīng)等，因而它們?cè)谧孕娮訉W(xué)器件等方面也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

圖1. FCNM塊體合金的直流(a-c)與交流(d-f)磁化強(qiáng)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(guān)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(tǒng)合金以單種元素為主的成分設(shè)計(jì)理念，因此也被稱作多主元合金或化學(xué)復(fù)雜合金。與以往經(jīng)驗(yàn)不同的是，化學(xué)復(fù)雜合金由于其高混合熵帶來的影響，更傾向于形成穩(wěn)定的固溶體，而不會(huì)形成復(fù)雜的金屬間化合物等。而且它往往展現(xiàn)出任一組元都不具備的獨(dú)特性能。此外和傳統(tǒng)合金相比，高熵合金跳出了傳統(tǒng)合金的設(shè)計(jì)框架，具有巨大的成分空間和豐富的物理性質(zhì)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室汪衛(wèi)華院士團(tuán)隊(duì)的于吉皓博士生在白海洋研究員、孫保安副研究員指導(dǎo)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(zhuǎn)變溫度的自旋玻璃態(tài)。通過調(diào)節(jié)成分，該合金的自旋玻璃轉(zhuǎn)變溫度最高可達(dá)室溫以上，為迄今為止報(bào)道的最高自旋玻璃轉(zhuǎn)變溫度的材料。該自旋玻璃態(tài)可以在很寬的成分區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定存在，并且其相變溫度可以在大范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)（見圖1）。

圖2. (a,b) DFT計(jì)算不同成分FCNM合金體系電子分波態(tài)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(jī)制和超高轉(zhuǎn)變溫度的起源，他們通過DFT計(jì)算發(fā)現(xiàn)體系內(nèi)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(dāng)它們形成合金時(shí)，四種元素隨機(jī)地占據(jù)面心立方晶格，產(chǎn)生高度的磁阻挫，最終導(dǎo)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(qiáng)度遠(yuǎn)高于稀磁合金等傳統(tǒng)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(tài)更加穩(wěn)定，轉(zhuǎn)變溫度顯著提高。當(dāng)調(diào)節(jié)Mn元素的比例時(shí)，體系內(nèi)的阻挫程度也會(huì)隨之變化，從而改變自旋玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變溫度。這種新型合金體系的發(fā)現(xiàn)不僅提出了自旋玻璃和磁阻挫材料設(shè)計(jì)的新思路，其超高轉(zhuǎn)變溫度與成分可調(diào)控的特點(diǎn)也為自旋玻璃材料的實(shí)際應(yīng)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(fā)表于Physical Review Materials?6, L091401 (2022)。

圖3. (a-c) FCNM合金薄膜中拓?fù)浠魻栃?yīng)的產(chǎn)生原理及測(cè)量方法。(d,e) 拓?fù)浠魻栃?yīng)強(qiáng)度隨磁場(chǎng)和溫度的變化情況。

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拓?fù)浠魻栃?yīng)是手性自旋結(jié)構(gòu)的電輸運(yùn)響應(yīng)，可以作為探測(cè)和理解這類新奇磁有序結(jié)構(gòu)的有力工具。迄今為止，拓?fù)浠魻栃?yīng)僅在一些非中心對(duì)稱的超晶格體系、磁性異質(zhì)結(jié)和三角格子磁體中發(fā)現(xiàn)和報(bào)道，它們的形成機(jī)制是對(duì)稱性破缺導(dǎo)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(hào)發(fā)生改變。高熵合金中存在由原子隨機(jī)占位產(chǎn)生強(qiáng)烈的磁阻挫效應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致長程磁有序的破壞和非共線磁性的產(chǎn)生，因此可以作為手性自旋結(jié)構(gòu)的一種新的產(chǎn)生機(jī)制。

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進(jìn)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(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的電輸運(yùn)和磁性表征。結(jié)果表明，樣品中可以測(cè)量到強(qiáng)度高達(dá)1.92 μΩ·cm的顯著的拓?fù)浠魻栃?yīng)，并且可以在很寬的溫度和磁場(chǎng)范圍內(nèi)存在（見圖3）。為了進(jìn)一步探究拓?fù)浠魻栃?yīng)的產(chǎn)生機(jī)制，他們進(jìn)行了洛倫茲電鏡和小角中子散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樣品在很低的磁場(chǎng)下就轉(zhuǎn)變?yōu)閱萎牻Y(jié)構(gòu)，但疇內(nèi)的磁矩仍然是非共線的（見圖4）。DFT計(jì)算結(jié)果表明在0 K溫度下，即使考慮SOC效應(yīng)的影響并允許磁矩在三維空間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jié)構(gòu)是一種熱激活現(xiàn)象。蒙特卡洛模擬結(jié)果不僅進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論，還發(fā)現(xiàn)拓?fù)浠魻栃?yīng)的溫度依賴與垂直磁各向異性有關(guān)。結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)、計(jì)算和模擬結(jié)果，他們將拓?fù)浠魻栃?yīng)的物理起源歸結(jié)為原本各向同性的自旋排布在外磁場(chǎng)的作用下出現(xiàn)擇優(yōu)取向，從而導(dǎo)致標(biāo)量自旋手性（定義為鄰近局域自旋向量所張成的固體角大?。┎辉倩ハ嗟窒⒄w顯現(xiàn)出凈值。

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

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由于拓?fù)浠魻栃?yīng)與體系的自旋手性成正比，因此其強(qiáng)度在無磁場(chǎng)和飽和磁場(chǎng)條件下皆為零，而在中間強(qiáng)度磁場(chǎng)下顯現(xiàn)。這一起源與以往報(bào)道過的存在手性自旋的體系都截然不同，為設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)，且制備工藝簡單，性能易調(diào)控，這不僅為手性自旋結(jié)構(gòu)的研究提供了一個(gè)很好的材料體系，將來也有可能應(yīng)用于自旋電子學(xué)器件。相關(guān)工作以“Observation of topological Hall effect in a chemically complex alloy”為題發(fā)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(xué)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(xué)基金委重大項(xiàng)目和基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)和廣東省基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)重大項(xiàng)目的資助。