Nano Lett. | 手性反铁磁量子反常霍尔效应
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以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
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英文原题： Spin-Chirality-Driven Quantum Anomalous and Quantum Topological Hall Effects in Chiral Magnets
通讯作者： 冯万祥（北京理工大学物理学院），李印威（江苏师范大学物理与电子工程学院）
作者： Xiaodong Zhou (周小东), Yugui Yao (姚裕贵)
背景介绍
量子反常霍尔效应一直是凝聚态物理学中的热门研究议题，其具有量子化的反常霍尔电导率与无能量耗散的边缘态输运特性，因此被认为是实现高速、低功耗自旋电子学器件最具竞争力的方式之一。虽然量子反常霍尔效应早在1988年就被理论预言，然而直到2013年才首次被清华大学薛其坤研究团队实验证实，主要原因在于其苛刻的实现条件：共线磁化强度引起的时间反演破缺与强自旋轨道耦合诱导的拓扑绝缘态的共同作用，即传统的铁磁体量子反常霍尔效应(图1a)。反铁磁也破缺了时间反演对称性，原则上也可以出现量子反常霍尔效应。过去人们对反铁磁量子反常霍尔效应鲜有研究，主要有以下两个原因。首先，反铁磁净磁化强度为零，因而一般不具有量子反常霍尔效应。此外，普通自旋共线的反铁磁通常具有TS对称性（T是时间反演对称性；S是空间反演或平移对称性等），这些联合对称性禁止了量子反常霍尔效应的出现。但是在自然界中，除了这些常规的自旋共线的铁磁与反铁磁，还存在很多具有矢量自旋手性或标量自旋手性的磁性系统，其特殊的非共线磁结构可以破缺TS对称性，因而可能具有量子反常霍尔效应 (图1b-c)。
图1. 共线铁磁体与手性磁体中的量子反常霍尔效应。
文章亮点
近日， 江苏师范大学物理与电子工程学院周小东博士、李印威教授与北京理工大学物理学院冯万祥教授、姚裕贵教授 合作在 Nano Letters 上发表了手性反铁磁量子反常霍尔效应的研究。基于紧束缚模型、磁群理论分析与第一性原理计算，研究者们在kagome手性反铁磁中实现了具有矢量自旋手性与标量自旋手性依赖的量子反常霍尔效应与量子拓扑霍尔效应，其可以不需要净磁化强度或自旋轨道耦合，因而与传统的铁磁体量子反常霍尔效应完全不同。
通过旋转kagome晶格的面内自旋，研究者们发现了随矢量自旋参数周期性演化的拓扑相变及伴随的量子反常霍尔效应，称为矢量自旋量子反常霍尔效应：其不需要净磁化强度（如图2）。通过沿着面外倾斜kagome平面的自旋，发现了由标量自旋手性诱导的拓扑相变及伴随的量子反常霍尔效应，称为标量自旋量子反常霍尔效应：其不需要自旋轨道耦合（也称为量子拓扑霍尔效应，如图3）。此外，研究发现手性反铁磁的拓扑陈数受控于矢量自旋手性、标量自旋手性与自旋轨道耦合的竞争相互作用，而传统铁磁体的陈数一般只受控于磁化方向。借助紧束缚模型，研究者们获得了有无自旋轨道耦合两种情况下拓扑陈数随着矢量与标量自旋手性演化的完整拓扑相图。
图2. 非共线反铁磁中的矢量自旋量子反常霍尔效应
图3. 自旋倾斜的非共线反铁磁中的标量自旋量子拓扑霍尔效应
总结/展望
研究团队在手性反铁磁中提出了实现量子反常霍尔效应的新途径，为量子拓扑输运的研究引入了两个全新的自由度：矢量自旋手性和标量自旋手性。由于反铁磁通常具有更高的磁性转变温度且具有微弱退磁场、快速自旋动力学等优点，或将为量子反常霍尔效应的发展瓶颈提供新的契机。
相关论文发表在 Nano Letters 上，江苏师范大学物理与电子工程学院周小东博士为文章的第一作者， 北京理工大学物理学院冯万祥教授和江苏师范大学物理与电子工程学院李印威教授 为通讯作者。该项研究得到了北京理工大学物理学院姚裕贵教授的大力支持。
通讯作者信息：
冯万祥 北京理工大学
冯万祥，北京理工大学物理学院教授、博士生导师、教育部青年长江学者。从事拓扑量子材料及其磁输运性质的理论研究，在 Nature 子刊、 PRL、Nano Lett. 等期刊发表论文40余篇，研究成果被国内外同行广泛引用（他引7000余次，Web of Science）和重点评价。主持国家自然科学基金面上项目3项、中德合作交流项目1项。获2016年德国洪堡学者、2018年国家自然科学二等奖（排名3）、2020年中国材料研究学会计算材料学奖青年奖（每年评选1~2人）。现担任中国材料研究学会计算材料学分会委员。
主页：https://physics.bit.edu.cn/szdw/szml/zzsyry/ALL_03/3aff3180c0d64ba583922a0b9b1f942a.htm
李印威 江苏师范大学
李印威，博士，教授，江苏师范大学物理与电子工程学院院长，国家优秀青年基金获得者，入选江苏省“333工程”高层次人才第二层次、“六大人才高峰”、“江苏省高校优秀科技创新团队带头人”以及“青蓝工程”优秀青年骨干教师。2011年在吉林大学获得博士学位，同年到江苏师范大学工作，2014-2015年在加拿大萨省大学访问。主要从事高压下凝聚态物质的新结构与新效应研究，主持国家级项目3项，在 Nature、Nat. Commun.、PRL、PNAS 等期刊发表SCI论文70余篇，被引4000余次，多篇入选ESI高被引论文；获教育部自然科学奖一等奖（排名第四）、第十八届中国高压科学学术会议优秀青年论文奖、中国新锐科技人物、江苏省高校自然科学一等奖等多项科技奖励。
主页：http://phy.jsnu.edu.cn/4d/98/c16232a347544/page.htm
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Nano Lett. 2023, ASAP
Publication Date: June 8, 2023
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01332
Copyright © 2023 American Chemical Society