霍尔效应，Nature Materials！

研究背景

反铁磁材料是具有互相对齐的自旋的材料，因其潜在的应用前景，如低功耗自旋电子器件和高密度信息存储，近年来成为了研究热点。然而，传统的反铁磁材料由于其缺乏宏观磁化和时间反转对称性（TtS），难以实现类似于铁磁材料的霍尔效应，因此难以用电信号读写自旋状态，这成为其广泛应用的一大挑战。

为了解决这一问题，近年来，科学家们提出了在特定条件下，某些反铁磁材料可以通过破缺TtS，诱导自发霍尔效应。具体来说，当反铁磁材料具有适当的晶体对称性，并且非磁性离子以阶梯状排列时，↑↓和↓↑自旋状态不再对称，可以破缺TtS，从而产生类似铁磁材料的霍尔效应。这一现象为反铁磁材料在信息存储和自旋电子学中的应用提供了新的方向。

成果简介

有鉴于此，东京大学Rina Takagi, Ryosuke Hirakida，Shinichiro Seki等教授在Nature Materials期刊上发表了题为“Spontaneous Hall effect induced by collinear antiferromagnetic order at room temperature”的最新论文。最近的研究表明，FeS等材料在室温下展示了自发霍尔效应，这一效应与磁化强度无关，而是由破缺TtS的反铁磁有序结构引起的虚拟磁场产生的。该研究为反铁磁材料在高效、低功耗的信息读取和写入提供了可能性，并且为实现无磁化的自旋介质提供了新的理论依据。

研究亮点

（1）实验首次在共线反铁磁材料FeS中观察到自发霍尔效应，得到了该材料在室温下具有与铁磁材料相似的霍尔效应表现。

（2）实验通过对FeS样品的霍尔效应测量，发现该材料的↑↓和↓↑自旋状态分别引起相反符号的自发霍尔效应，且这种效应并不来源于磁化强度，而是与对称性破缺的反铁磁有序结构相关的虚拟磁场有关。

（3）实验表明，FeS在室温下具有可用于电读写的自发霍尔效应，这为在导电系统中实现↑↓和↓↑自旋状态的电读写提供了新的可能性。

图文解读

图1:各种类型的共线磁体和自发霍尔效应分类。

图2: 室温共线反铁磁体FeS中的自发霍尔效应。

图3: 在易平面（易轴）共线反铁磁态中，存在（不存在）自发霍尔信号。

图4: 在FeS中，自发霍尔效应的微观起源分析。

结论展望

本文的研究揭示了TtS破缺的共线反铁磁体（如FeS）具有类似铁磁体的功能响应，但其净磁化强度接近零。这一发现为传统反铁磁体在自旋电子学中的应用提供了新的思路。自发霍尔效应的观察不仅为反铁磁体中自旋状态（↑↓和↓↑）的电读出提供了可能，还预测了其在光学和热学领域的潜在应用，如磁光克尔效应和Nernst效应。

研究表明，通过自旋转移矩或自旋轨道矩，能够实现时间反转域的电写入，这为自旋存储和信息处理提供了新的技术路径。TtS破缺的反铁磁体在保持极低磁化的同时，能够实现类似铁磁体的功能特性，开辟了新型自旋电子学材料的研究方向，并为未来开发高效能、低功耗的信息存储和处理器件提供了理论依据和实验支持。这一成果不仅挑战了传统反铁磁体的应用限制，还为材料科学提供了新的视角，推动了自旋电子学领域的发展。

文献信息

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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霍尔效应，Nature Materials！

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