PRL: 北理工姚裕贵教授团队在反铁磁材料中发现面内反常霍尔效应

近日，北京理工大学物理学院姚裕贵教授团队在PT对称（空间-时间反演联合对称）的反铁磁体系中提出了面内磁场诱导的反常霍尔效应（IPAHE）。该项研究成果严格论证了在PT对称反铁磁体系中实现IPAHE的最低对称性要求，详细列出了所有满足条件的磁点群，提供了有效地搜索和设计具有IPAHE的反铁磁材料的方法，将促进它们在低功耗自旋电子学上的应用。相关成果近期发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

反常霍尔效应，磁性材料中最基本的输运现象之一，不仅是诸多低功耗量子效应的物理原型，也是拓扑量子物态的重要基石。姚裕贵教授二十年来一直致力于该效应的研究，在该领域做出过开拓性的工作，比如率先发展了反常霍尔效应的第一性原理计算方法；定量研究了反常霍尔效应中基于贝里曲率的内禀机制，纠正了之前“外在机制占主导，内禀机制不重要”的普遍看法，颠覆了传统认识并被独立实验证实；部分成果被写进了M. P. Marder的流行教科书《Condensed Matter Physics》；推动了该领域的迅速发展。在通常的反常霍尔效应中，磁场/磁化、电场和霍尔电流相互垂直。近期理论研究发现，面内的磁化也可以导致反常霍尔效应，（称为面内反常霍尔效应，IPAHE），然而以往IPAHE的研究主要关注具有非零磁化的铁磁或者亚铁磁系统。在应用上，净磁化为零的反铁磁系统相比铁磁或亚铁磁系统具有诸多优势，如较强的抗磁场干扰、较快的自旋动力学、以及较高的堆积密度。那么，反铁磁系统中是否也存在新奇的IPAHE值得深入研究。

最近，姚等人提出了在反铁磁系统中实现IPAHE的对称性条件，并给出了实验上切实可行的材料搜索和设计的方案。针对一大类PT对称的反铁磁系统，他们发现面内的磁场通过自旋倾斜效应可以诱导面外贝里曲率，进而产生大的IPAHE，如图1所示。他们给出了包含PT对称反铁磁体系在内的所有可能荷载IPAHE的磁点群列表。在材料实现方面，他们给出了两种有效可行的方案：一种是通过调控现有的材料来满足对称性要求，即自上而下的方法；另一种方法是通过设计新材料来满足对称性的要求，即自下而上的方法。他们选取了两类代表性的材料（CuMnAs和新型的VS2-VS超晶格）为例进行了第一性原理的计算，并讨论了面内反常霍尔效应的实验探测，如图2所示。此外，理论与实验合作的VS₂-VS超晶格中面内反常霍尔效应的工作去年已发表在《自然》杂志上 [Nature 609, 46 (2022)]。

图1: 在PT对称的反铁磁系统中产生面内反常霍尔效应的示意图。

图2: 应力下CuMnAs和VS₂-VS超晶格中的面内和面外的反常霍尔电导率。

该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、中科院先导项目的支持。北京理工大学博士生曹晋和蒋伟教授为共同第一作者，强磁场科学中心周建辉研究员和北京理工大学姚裕贵教授为共同通讯作者。北京理工大学周家东教授、李小平博士以及强磁场中心博士生涂岱峰为论文的合作者。

论文信息：

Jin Cao, Wei Jiang, Xiao-Ping Li, Daifeng Tu, Jiadong Zhou, Jianhui Zhou, and Yugui Yao, "In-Plane Anomalous Hall Effect in PT-Symmetric Antiferromagnetic Materials", Phys. Rev. Lett. 130, 166702 (2023)

文章链接：

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.166702

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编辑：黄琦

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