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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(tǒng)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(xiàn)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(tài)，這成為其廣泛應用的一大挑戰(zhàn)。

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(fā)霍爾效應。具體來說，當反鐵磁材料具有適當?shù)木w對稱性，并且非磁性離子以階梯狀排列時，↑↓和↓↑自旋狀態(tài)不再對稱，可以破缺TtS，從而產(chǎn)生類似鐵磁材料的霍爾效應。這一現(xiàn)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(fā)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，F(xiàn)eS等材料在室溫下展示了自發(fā)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(chǎn)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(xiàn)無磁化的自旋介質提供了新的理論依據(jù)。

研究亮點

（1）實驗首次在共線反鐵磁材料FeS中觀察到自發(fā)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(xiàn)。

（2）實驗通過對FeS樣品的霍爾效應測量，發(fā)現(xiàn)該材料的↑↓和↓↑自旋狀態(tài)分別引起相反符號的自發(fā)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，F(xiàn)eS在室溫下具有可用于電讀寫的自發(fā)霍爾效應，這為在導電系統(tǒng)中實現(xiàn)↑↓和↓↑自旋狀態(tài)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(fā)霍爾效應分類。

圖2: 室溫共線反鐵磁體FeS中的自發(fā)霍爾效應。

圖3: 在易平面（易軸）共線反鐵磁態(tài)中，存在（不存在）自發(fā)霍爾信號。

圖4: 在FeS中，自發(fā)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(fā)現(xiàn)為傳統(tǒng)反鐵磁體在自旋電子學中的應用提供了新的思路。自發(fā)霍爾效應的觀察不僅為反鐵磁體中自旋狀態(tài)（↑↓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(xiàn)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(xiàn)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(fā)高效能、低功耗的信息存儲和處理器件提供了理論依據(jù)和實驗支持。這一成果不僅挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)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(fā)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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