科学家通过外尔反铁磁体研究揭开了“霍尔效应”的物理学之谜

在 2022 年 8 月 18 日发表于《自然·物理学》期刊上的一篇文章中，一支跨国研究团队详细介绍了在存储设备中使用“反铁磁”材料的最新进展。据悉，antiferromagnets 特指具有“由电子自旋引起内部磁场、但又没有外部（远距）磁场”的一种特殊材料。得益于此，数据存储单元（比特位）有望在材料内部实现更致密的封装。

研究配图 1 - Mn₃Sn 反手性磁结构 / 磁化压电控制

一方面，传统磁存储器中的铁磁体，需要避免相邻数据位（bit）的互相干扰，因而难以做到更加致密的封装。

另一方面，若利用由 Edwin Hall 在 1879 年发现的霍尔效应（Hall Effect），则能够在反铁磁材料上施加垂直于电流方向的电压。

研究配图 2 - 拓补反磁体 Mn₃Sn 在面内单轴压缩下的压磁效应

当反磁体中的所有自旋都翻转时，霍尔电压的符号也会随时改变 —— 这样就可分别代表二进制比特位的“0”或“1”数值。

尴尬的是，尽管科学家们早就知晓了铁磁材料中的霍尔效应，但直到最近，大家才认可了它在反铁磁体中的效应、且知之甚少。

研究配图 3 - Weyl 反铁磁体的 AHE / 在面内单轴应变下的符号反转

好消息是，来自日本东京大学、美国康奈尔大学、约翰·霍普金斯大学、以及英国伯明翰大学的联合研究团队，刚刚对 Weyl 反铁磁体（Mn₃Sn）中的“霍尔效应”的最新解释。

据悉，该材料具有特别强的自发霍尔效应。而近日发表于《自然·物理学》期刊上的新论文，不仅对铁磁体 / 反铁磁体研究领域产生了深远的影响、还引发了我们对下一代存储设备的新思考。

研究配图 4 - ferrohalic、parahallic 和 diahallic 状态下 / 霍尔矢量 K 的不同应变控制

作为一种“外尔半金属”，Mn₃Sn 并不是完美的反铁磁体，且它具有微弱的外部磁场。在此基础上，研究人员试图搞清霍尔效应是否由这种弱磁场引起。

实验期间，科学家们使用了由研究合著者、来自伯明翰大学 Clifford Hicks 博士设计的装置 —— 该装置可用于向被测量材料提供可变的应力。

扩展数据图 - 1：室温下反铁磁体中异常霍尔效应的压电转换

通过将这种应力施加到外尔反铁磁体上，剩余的外部磁场就会有所增加。若霍尔效应由磁场驱动，那材料上的电压就会产生相应的影响。

然而事实表明，电压并未发生实质性的变化，证明了磁场并未在其中扮演重要的角色。相反，研究得出了另一个结论，即材料内旋转电子的排列、才是产生霍尔效应的主因。

Clifford Hicks 表示：“实验证明了霍尔效应是由传导电子与其自旋电子的量子相互作用引发，这一发现对于我们深入了解和改进磁存储技术都至关重要”。

有关这项研究的详情，还请移步至《Nature Physics》查看，原标题为《Piezomagnetic switching of the anomalous Hall effect in an antiferromagnet at room temperature》。