科学岛低功耗量子材料研究团队在反铁磁材料中发现面内反常霍尔效应

近日，中科院合肥物质院强磁场中心低功耗量子材料研究团队与北京理工大学姚裕贵教授团队合作，在PT-对称（空间-时间反演联合对称）的反铁磁材料中发现了由面内磁场诱导的反常霍尔效应。相关研究成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。

　　反常霍尔效应是诸多低功耗量子效应的物理原形，也是拓扑量子物态发展的重要基石。在通常的反常霍尔效应中，材料的磁化、电场和霍尔电流三者彼此垂直。理论分析发现时间反演对称性破缺并不限制磁化方向或磁化类型。原则上，材料中允许非常规的反常霍尔效应，比如霍尔电流、磁化/磁场和电场处在同一个平面内，即面内反常霍尔效应（in-plane anomalous Hall effect）。此前，关于面内反常霍尔效应的研究主要集中在具有非零的磁化的铁磁和亚铁磁体系，然而迄今仍缺乏相关的实验证据。

　　在本工作中，研究团队聚焦于PT-对称的反铁磁材料，其能带在整个布里渊区都是二重简并的，使得贝里曲率和通常的反常霍尔电导为零。研究团队发现面内磁场通过自旋倾斜效应，破缺能带简并，进而产生面外的贝里曲率和大的反常霍尔效应。研究团队还提出，在PT-对称的反铁磁体中，实现面内反常霍尔效应普遍的对称性条件，并给出完整的相关磁空间群列表。研究团队利用第一性原理计算了两类代表性材料体系 (CuMnAs和VS₂-VS异维超晶格，分别如下图(a)、(c)所示）的面内反常霍尔电导率(下图(b)和(d))，证实了面内反常霍尔效应的理论。此外，理论与实验合作的VS₂-VS异维超晶格中面内反常霍尔效应的工作去年发表在《自然》杂志上 [Nature 609, 46 (2022)]。研究团队的工作丰富了反常霍尔效应家族，也为反铁磁材料在低功耗电子学和拓扑电子学中的应用提供了理论基础。

　　北京理工大学博士生曹晋、蒋伟教授为论文共同第一作者，强磁场中心周建辉研究员与北京理工大学姚裕贵教授为论文共同通讯作者。北京理工大学周家东教授、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。该项研究工作得到国家自然基金委、合肥物质院院长基金等项目的支持。

　　(a) CuMnAs晶体结构示意图。(b) CuMnAs中面内反常霍尔电导。（c）VS₂-VS异维超晶格结构示意图。（d）VS₂-VS异维超晶格中面内反常霍尔电导。