水星磁层中的环状电流 | 前沿快讯No.19

物理天文学中，环状电流是一种主要由被困在行星磁层中的高能离子（几个keV到数百个keV）所携带的磁层电流。查普曼和费拉罗首先提出，由环绕地球的高能带电粒子携带的环电流会导致地磁凹陷，比如地磁风暴等。通过OGO3卫星的原位粒子测量，证实了地球磁层的存在。随着行星磁层探索的进展，环状电流的定义已经与地磁风暴解耦。一般环状电流是指行星磁层研究中高能粒子漂移运动产生的纵向电流，比如木星和土星也证实了环状电流的存在。在20世纪70年代发现了水星磁层的存在，它有一个固有的偶极子场，向北的偏移量为0.2倍的水星半径，以及小的磁矩。由于其偶极子磁场明显较弱，对于水星磁层的研究仍缺乏环状电流的观测证据。在这种条件下，带电粒子被认为是通过磁层屏蔽或直接撞击行星表面而有效丢失。

本文作者北京大学空间物理与应用技术研究所J.T. Zhou等人通过分析从水星表面MErcury Surface, Space Environment, GEochemistry, and Ranging (MESSENGER) 航天器得到的粒子测量，提出了水星环状电流的观测证据。环状电流由于日非赤道磁极小值而分叉，并用水星的动态磁层磁场模型(KT17模型)进行测试粒子模拟，验证了环状电流的形态。在活跃期，环状电流的能量超过五百亿焦耳，表明在水星上也可能发生磁暴。

相关研究成果以Observational evidence of ring current in the magnetosphere of Mercury为题，发表在《自然通讯》  Nature Communications  13, 924 (2022)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28521-3

多体相互作用是物理学的核心，通过调整这种相互作用，可以实现和控制复杂的电子相图。近年来，二维莫尔超晶格成为量子工程调控电子相图的很有前景的平台。莫尔系统的优势在于通过调整层间扭转角、电场、载流子和层间耦合来实现其物理参数的高度可调性。

本文作者华盛顿大学物理系Xi Wang等发现光激发可以高度调节莫尔捕获载流子之间的自旋-自旋相互作用，在WS2/WSe2莫尔超晶格中诱导铁磁序。在接近-1/3的填充因子时，每三个莫尔单位单元有一个空穴，随着激子共振处的激发功率的增加，在循环磁圆二色性信号中，作为磁场的函数，出现了一个显著的磁滞回线，是铁磁性标志。磁滞回线一直持续到电荷中性，它的形状随着莫尔超晶格的逐渐填充而演化，揭示了磁性基态性质的变化。观察到的现象对应与流动的光激发激子介导了莫尔捕获空穴间的交换耦合的机制。这种激子介导的相互作用比莫尔捕获空穴间的直接耦合作用范围更长，使的在空穴密度较低的体系中也会出现磁序。这一发现为莫尔量子物质的丰富的多体哈密顿量增加了一个动态调谐旋钮。

相关研究成果以Light-induced ferromagnetism in moiré  superlattices为题，发表在《自然》 Nature 604, 468-473 (2022)上。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04472-z

磁体/重金属双分子层上的自旋输运为自旋电子学提供了一个丰富的平台。自旋霍尔磁阻效应是一种磁体/重金属双分子层的电阻依赖于自旋电流自旋极化与磁层磁序之间夹角的现象。当自旋极化垂直于磁序时，由于界面处自旋电流的吸收，电阻高；自旋极化平行于磁序时，由于界面处自旋电流的反射，电阻低。反铁磁体/重金属双分子层中在反铁磁序与大于临界场的磁场垂直时，由于自旋翻转具有负的自旋霍尔磁阻效应。引入额外的磁性层将使自旋输运更加丰富或复杂化。通过插入反铁磁绝缘体一氧化镍，在铁磁绝缘体/Pt双分子层膜中观察到自旋霍尔磁阻的符号变化，揭示了磁振子自旋电流通过反铁磁绝缘体的传输和铁磁绝缘体/反铁磁绝缘体界面处自旋电流的反射。自旋导电态和非导电态也可以由异质结中间层的自旋结构进行调制，同时自旋霍尔磁阻的响应取决于异质结两端的磁化方向。但目前为止，自旋霍尔磁阻的符号是否可以在全反铁磁异质结构中被调制尚未见报道。

本文作者清华大学材料科学与工程学院黄琳等研究了全反铁磁异质结构Fe2O3/Cr2O3（Pt为接触）中的自旋霍尔磁电阻。发现在温度较低时(<50 K)，自旋电流不能通过氧化铬传输，自旋霍尔磁电阻接近于零。当温度高于氧化铬的自旋涨落温度（50 K）而低于其反铁磁转变温度（300 K）时，自旋电流将通过氧化铬层，在Fe2O3/Cr2O3界面上进行反射，观测到负的自旋霍尔磁电阻。当温度升高，高于反铁磁转变温度时，可以观测到正的自旋霍尔磁电阻，其主要来自于Cr2O3/Pt界面的自旋电流反射。随着氧化铬层厚度的增加，自旋霍尔磁电阻从负到正的转变温度增强，当厚度值为10nm时，自旋霍尔磁电阻信号消失。这种可调谐的自旋霍尔磁电阻在自旋输运和结构之间建立了一座桥梁，同时丰富了反铁磁自旋电子学。

相关研究成果以Tunable Spin Hall Magnetoresistance in All-Antiferromagnetic Heterostructures为题，作为亮点文章Editors' Suggestion发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 047502 (2022)上。

原文链接：

http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/4/047502#1

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