研究背景
反鐵磁材料因其獨特的自旋結構和無宏觀磁化特性，在信息存儲、磁傳感器等領域具有潛在應用。與傳統的鐵磁材料相比，反鐵磁材料通常具有較小的能量損耗和更高的穩定性，因此被認為是下一代磁性信息存儲和計算的有力候選。然而，傳統的共線反鐵磁材料由于時間反轉對稱性和缺乏宏觀磁化，通常不能支持與鐵磁材料類似的自發霍爾效應，使得其在實際應用中存在一定的局限性。因此，如何突破反鐵磁材料的對稱性限制，實現自發霍爾效應，成為該領域的重大挑戰。為了解決這一問題，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。他們設計并合成了共線反鐵磁材料FeS，并成功在室溫下觀察到自發霍爾效應。與傳統的反鐵磁材料不同，FeS在其↑↓和↓↑自旋狀態下能夠引起相反符號的自發霍爾效應，這一現象源自于該材料的對稱性破缺，而非傳統意義上的磁化現象。研究人員通過精細的實驗分析，證明了這一效應是由于虛擬磁場的作用，并非傳統磁化引起的。 通過這一發現，該團隊不僅揭示了反鐵磁材料在沒有宏觀磁化的情況下仍能展現類似鐵磁材料的電學響應，還為未來在導電系統中實現自發霍爾效應的電讀寫提供了可能的理論基礎。這項研究為反鐵磁材料在信息存儲和自旋電子學領域的應用提供了新的方向，尤其是在低能耗、高穩定性的設備中，展示了顯著的潛力。
科學亮點
圖文解讀
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。
結論展望
本文通過觀察到TtS破缺的共線反鐵磁體FeS在室溫下自發霍爾效應的現象，揭示了該材料在缺乏宏觀磁化的情況下仍能表現出類似鐵磁體的功能響應。這一發現挑戰了傳統觀念，認為反鐵磁材料無法進行電讀出和寫入操作。研究表明，通過虛擬磁場，TtS破缺的反鐵磁體能夠實現類似于鐵磁體的自旋狀態控制，例如自發霍爾效應和磁光克爾效應等。這不僅拓寬了反鐵磁體的應用前景，還提出了通過電流誘導的自旋狀態操控為自旋電子學提供新的電寫入機制。未來，TtS破缺的反鐵磁材料有望成為一種新的信息載體，具有極小的凈磁化強度，同時具備電讀寫功能，推動自旋電子學在更廣泛領域中的應用，尤其是在低功耗、微型化的電子器件中。Takagi, R., Hirakida, R., Settai, Y. et al. Spontaneous Hall effect induced by collinear antiferromagnetic order at room temperature. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02058-w
