近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場中心的研究團(tuán)隊(duì)，在量子材料領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)的研究員邵定夫和杜海峰，攜手他們的合作者，成功預(yù)言了一種前所未有的反鐵磁材料——“X型反鐵磁體”。這一新型材料不僅具有獨(dú)特的交叉鏈結(jié)構(gòu)，還被預(yù)測展現(xiàn)出子晶格選擇性的自旋輸運(yùn)和非常規(guī)的反鐵磁動(dòng)力學(xué)特性。
這項(xiàng)研究成果于近期在Cell出版社旗下的知名物理學(xué)期刊Newton上發(fā)表，并因其重要性被選為封面論文，引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
反鐵磁材料，作為磁性材料的一種，由兩個(gè)或多個(gè)鐵磁子晶格構(gòu)成。這些子晶格間的磁矩在交換相互作用的影響下，以反平行或非共線方式排列，使得整體不顯示宏觀磁化強(qiáng)度。這類材料因其零雜散磁場和超快磁動(dòng)力學(xué)響應(yīng)等特點(diǎn)，被視為下一代自旋電子學(xué)器件的理想材料，有望應(yīng)用于高密度、低功耗、高穩(wěn)定性和超快讀寫的電子設(shè)備中。
然而，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，反鐵磁材料的內(nèi)部子晶格在自旋輸運(yùn)性質(zhì)上相互抵消，使得這類材料通常不具備自旋極化的輸運(yùn)特性，從而限制了其在電子學(xué)中的應(yīng)用。邵定夫和杜海峰團(tuán)隊(duì)的研究則打破了這一限制，他們通過深入分析反鐵磁體的實(shí)空間堆疊方式，提出了一種全新的“X型反鐵磁體”。
在研究中，團(tuán)隊(duì)通過結(jié)構(gòu)搜索和高通量計(jì)算，從龐大的材料數(shù)據(jù)庫中篩選出了15種潛在的X型反鐵磁體候選材料。他們進(jìn)一步根據(jù)對稱性和結(jié)構(gòu)特征，提出了交叉鏈晶格模型，并歸納出了X型反鐵磁體的三種基本類型。其中，β-Fe?PO?作為一種已實(shí)驗(yàn)合成的材料，具有高于室溫的反鐵磁奈爾溫度，成為了理想的X型反鐵磁體候選。
理論計(jì)算結(jié)果顯示，當(dāng)輸運(yùn)方向平行于X型反鐵磁體中的某一條鐵磁子晶格鏈時(shí)，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幾乎沒有電流分布。這意味著，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進(jìn)行自旋傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)磁性材料中無法具備的功能屬性。
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，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)反鐵磁矢量實(shí)現(xiàn)確定性翻轉(zhuǎn)。這一特性為反鐵磁自旋電子學(xué)的高效信息寫入提供了可能，有望推動(dòng)低功耗、超快讀寫速度的自旋電子學(xué)器件的發(fā)展。
X型反鐵磁體的發(fā)現(xiàn)，不僅是對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(kuò)展，更展示了在固體材料中選擇性利用部分原子的可能性。這一研究成果為實(shí)現(xiàn)反鐵磁自旋電子學(xué)的高效信息讀寫和新型器件設(shè)計(jì)開辟了新的方向，同時(shí)也為挖掘材料內(nèi)部隱藏特性、實(shí)現(xiàn)基于子晶格層次的新物理和新應(yīng)用提供了新的研究思路。
