自旋及奇异的自旋效应 | 前沿快讯No.6

中国物理学会官方微信公众号本着“传播科学精神，服务科研工作者”的宗旨，特开设“前沿快讯”栏目，选录近期发表的前沿文章，对文中摘要和引言进行中文导读。由于译者水平有限，难免出现不准确之处，请通过留言批评指正。留言经编辑确认后，将及时进行勘误说明，供后来浏览者参考。

      在反铁磁自旋电子学研究中，利用电学手段探测奈尔矢量的翻转是一项关键技术。由于奈尔矢量和其翻转后的构型通过时间反演对称性联系起来，因此可以利用电导率张量中时间反演为奇的部分来进行区分。由于许多反铁磁体保持时间和空间反演的联合对称性，禁止了线性电导率张量时间反演为奇的部分。但是对于二阶电导率张量，保持时间和空间反演的联合对称性则禁止了时间反演为偶的部分，并且允许时间反演为奇的部分的存在。因此，二阶电导率张量是一个用来探测具有时间和空间反演的联合对称性的体系中奈尔矢量翻转的理想物理量。一个探测奈尔矢量翻转的开拓性实验是探测四方反铁磁体CuMnAs的二阶电导率的符号，尽管其实验很成功，但潜在的微观机制尚不清晰。

      本文作者卡内基梅隆大学Chong Wang及其合作者发现本征的非线性霍尔效应与弛豫时间无关，对时间反演为奇的二阶电导率具有显著贡献，可以用来检测奈尔矢量的翻转。相比之下，贝利曲率偶极子诱导的非线性霍尔电导率与弛豫时间线性相关，并且时间反演为偶。他们研究了正方反铁磁金属 CuMnAs的本征非线性霍尔效应，发现其非线性霍尔电导率可以达到mA/V^2的量级。其非线性霍尔电导率对化学势的依赖关系可以用倾斜的大质量狄拉克模型定性地解释。随后，他们展示了非线性霍尔电导率的强温度依赖性，并简要讨论了其与二阶杜鲁德电导率的竞争关系。最后作者对磁点群进行了完整的调研，为寻找更多具有本征非线性霍尔效应的反铁磁材料提供了指导。

相关研究成果以Intrinsic Nonlinear Hall Effect in Antiferromagnetic Tetragonal CuMnAs为题，发表在《物理评论快报》  Physical Review Letters 127, 277201 (2021)上。

原文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.277201

      末端呈锯齿状边缘的石墨烯纳米结构具有自旋有序的的电子态，可以产生量子磁性。这些本征的磁态来源于石墨烯本身的锯齿形边缘结构，为碳基自旋电子学和量子比特的探索创造了机会，为实现用于数据存储和信息处理的高速、低功耗的自旋逻辑器件铺平了道路。理论预测表明，锯齿状石墨烯纳米带在一个锯齿状边缘中的自旋铁磁排列，两个相对的边缘之间具有反铁磁耦合。这种不寻常的电子结构在锯齿状石墨烯纳米带中产生了场或应变驱动的半金属性。锯齿状石墨烯纳米带的电子边缘态与支持的基底具有很强的耦合，同时边缘态的磁化率受到原子提取或自由基重组反应的钝化，使得对边缘电子态的研究极具挑战。

      本文作者加州大学伯克利分校Raymond E. Blackwell及其合作者通过沿边缘引入取代N原子掺杂剂的超晶格，提出了一种从热力学上稳定和电子解耦高活性自旋极化边缘态的一般性技术。第一性原理计算和扫描隧道光谱揭示了在锯齿状石墨烯纳米带中铁磁有序边缘态的交换场下产生的巨大的自旋劈裂。其结果直接支持了锯齿状石墨烯纳米带中产尘磁性有序的本征特性，并为其探索和集成到纳米级传感和逻辑器件中的功能应用提供了一个强有力的平台。

相关研究成果以Spin splitting of dopant edge state in magnetic zigzag graphene为题，发表在《自然》 Nature 600, 647-652 (2021)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04201-y

      磁性斯格明子由于具有拓扑保护和低能耗的优点，被认为是自旋电子器件的理想信息载体之一。自最初的理论预测以来，布洛赫型的斯格明子首先在B20结构的非中心对称的化合物中观测到，比如FeGe，FeCoSi，MnFeGe，MnSi等等，但都在低温下出现。同时由于在面间的Dzyaloshinskii–Moriya相互作用，奈尔型的斯格明子在重金属/铁磁体这种非对称的双层膜中被发现。磁性斯格明子的发现为功能自旋电子存储器和逻辑器件的发展提供了一条很有前途的途径。在未来的高密度存储器应用中，需要降低到20纳米理想微型直径的纳米尺度斯格明子。

      本文作者清华大学刘嘉豪和王子东在江万军教授的指导下，用X射线磁圆二色透射显微镜，于室温下在Pt/Co/Ir多层膜中观测到了纳米尺度的斯格明子。特殊的是，最小直径接近20nm的斯格明子可以通过电流诱导的自旋轨道力矩产生。通过实验材料的具体参数，进一步采用微磁模拟技术研究了斯格明子产生的动力学过程。通过模拟发现，管状和波状奈尔型斯格明子都可以通过电学诱导产生，其中波状奈尔型斯格明子的尺寸还可以通过自旋轨道力矩进行有效的调节，产生直径为20nm的奈尔型斯格明子。其结果对于理解纳米尺度下奈尔型型自旋结构、斯格明子的形成动力学很重要，以实现纳米级的斯格明子存储器和逻辑器件的推广应用。

相关研究成果以The 20-nm Skyrmion Generated at Room Temperature by Spin-Orbit Torques为题，作为Express Letters发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 017501 (2021)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/1/017501

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