近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場中心低功耗量子材料平臺研究團(tuán)隊邵定夫研究員、杜海峰研究員與合作者預(yù)言了一類具有交叉鏈結(jié)構(gòu)的新型反鐵磁材料，團(tuán)隊將其命名為“X型反鐵磁體”，并預(yù)測其中存在具有子晶格選擇性的自旋輸運和非常規(guī)反鐵磁動力學(xué)。相關(guān)研究成果發(fā)表于Cell出版社旗下的物理學(xué)旗艦期刊Newton，并被選為封面論文。
反鐵磁材料是由兩個或多個鐵磁子晶格組成的磁性材料。在交換相互作用的影響下，子晶格間的磁矩反平行或非共線排列，使整體對外不顯示宏觀磁化強度。這類材料具有零雜散磁場、超快磁動力學(xué)響應(yīng)等優(yōu)點，被視為實現(xiàn)高密度、低功耗、高穩(wěn)定性、超快讀寫的下一代自旋電子學(xué)器件的理想候選材料。然而，由于內(nèi)部子晶格貢獻(xiàn)的自旋輸運性質(zhì)互相抵消，反鐵磁材料通常不具有自旋極化的輸運特性，很難實現(xiàn)電子學(xué)應(yīng)用。如果能夠有選擇性地利用反鐵磁體的單個子晶格，就有可能開辟探索新物理現(xiàn)象與發(fā)展高性能自旋電子學(xué)應(yīng)用的嶄新路徑。但傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，固體材料的宏觀性質(zhì)來源于所有原子的集體貢獻(xiàn)，單獨選擇部分原子加以利用通常是不可行的。
在此工作中，研究團(tuán)隊通過對反鐵磁體實空間堆疊方式的分析，提出自然界中存在一種具有形狀如同英文字母“X”的交叉鏈結(jié)構(gòu)共線性反鐵磁體，即“X型反鐵磁體”。通過結(jié)構(gòu)搜索和高通量計算，團(tuán)隊從材料數(shù)據(jù)庫中篩選出15種潛在的 X 型反鐵磁體候選材料，并根據(jù)對稱性和結(jié)構(gòu)特征提出了交叉鏈晶格模型，歸納出X型反鐵磁體的三種基本類型。
在篩選出的材料中，β-Fe?PO? 已有實驗合成，具有高于室溫的反鐵磁奈爾溫度，是一種理想的X型反鐵磁體候選材料。理論計算顯示，在輸運方向平行于其中一條鐵磁子晶格鏈時，幾乎完全自旋極化的電流主要沿該鐵磁鏈傳輸，而垂直方向的子晶格鏈則基本無電流分布。這表明，通過選擇電場方向，可以在X型反鐵磁體中利用特定的子晶格來進(jìn)行自旋傳輸。這種前所未有的獨特性質(zhì)允許我們挑選出反鐵磁體中特定的子晶格來加以利用，實現(xiàn)傳統(tǒng)磁性材料中無法具有的功能屬性。例如，通過對特定子晶格鏈注入自旋流，可以產(chǎn)生作用于單一子晶格的非常規(guī)自旋力矩，驅(qū)動反鐵磁矢量實現(xiàn)確定性翻轉(zhuǎn)。這一特性可以用于實現(xiàn)反鐵磁自旋電子學(xué)超快、低功耗的信息寫入。
該工作提出的X 型反鐵磁體，是對70年前發(fā)現(xiàn)的G型、A型、C型反鐵磁結(jié)構(gòu)家族的重要擴展，其獨特的子晶格選擇性輸運性質(zhì)，展示了在固體材料中選擇利用部分原子的可能性。研究結(jié)果為實現(xiàn)反鐵磁自旋電子學(xué)高效信息讀寫和新型器件設(shè)計開辟了新方向。同時，該研究采用的基于實空間磁結(jié)構(gòu)的研究思路，有別于基于動量空間中能帶特性的傳統(tǒng)分析方法，有助于充分挖掘材料內(nèi)部的隱藏特性，實現(xiàn)基于子晶格層次的新物理和新應(yīng)用。
該工作被選為Newton期刊2025年第4期的封面論文。反鐵磁自旋電子學(xué)理論專家、捷克科學(xué)院物理研究所Jakub ?elezny博士在同期為該工作撰寫了題為“一種新型反鐵磁結(jié)構(gòu)（“A new type of antiferromagnetic stacking）”的評述，對該工作進(jìn)行了高度評價。
合肥物質(zhì)院強磁場中心博士生張水森為論文第一作者，合肥物質(zhì)院固體所邵定夫研究員、強磁場中心杜海峰研究員、內(nèi)布拉斯加-林肯大學(xué)Evgeny Y. Tsymbal教授為論文共同通訊作者。該項研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院建制化科研平臺項目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100068
評述鏈接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100109
圖1.G型、A型、C型和X型反鐵磁體
圖2.X型反鐵磁體的三種基本類型
圖3.：X型反鐵磁體候選材料β-Fe2PO5
圖4.基于X型反鐵磁體的單子晶格自旋力矩及潛在器件應(yīng)用
圖5.Newton 2025年第4期封面圖，描繪了X型反鐵磁體中的單子晶格鏈自旋輸運現(xiàn)象
