近日，（中国）科技公司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[Phys. Rev. Lett. 92, 037204 (2004)]；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。（中国）科技公司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（中国）科技公司姚裕贵教授为共同通讯作者。（中国）科技公司周家东教授、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