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低功耗量子材料研究团队预言 “X型反铁磁体”并揭示其独特物性

来源：时间：2025-06-05 作者：张水森

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心低功耗量子材料研究团队邵定夫研究员、杜海峰研究员与合作者预言了一类具有交叉链结构的新型反铁磁材料，团队将其命名为“X型反铁磁体”，并预测其中存在具有子晶格选择性的自旋输运和非常规反铁磁动力学。相关研究成果以 “X-type stacking in cross-chain antiferromagnet” 为题发表于Cell出版社旗下的物理学旗舰期刊Newton，并被选为封面论文。

反铁磁材料是由两个或多个铁磁子晶格组成的磁性材料。在交换相互作用的影响下，子晶格间的磁矩反平行或非共线排列，使整体对外不显示宏观磁化强度。这类材料具有零杂散磁场、超快磁动力学响应等优点，被视为实现高密度、低功耗、高稳定性、超快读写的下一代自旋电子学器件的理想候选材料。然而，由于内部子晶格贡献的自旋输运性质互相抵消，反铁磁材料通常不具有自旋极化的输运特性，很难实现电子学应用。如果能够有选择性地利用反铁磁体的单个子晶格，就有可能开辟探索新物理现象与发展高性能自旋电子学应用的崭新路径。但传统观点认为，固体材料的宏观性质来源于所有原子的集体贡献，单独选择部分原子加以利用通常是不可行的。

在此工作中，研究团队通过对反铁磁体实空间堆叠方式的分析，提出自然界中存在一种具有形状如同英文字母“X”的交叉链结构共线性反铁磁体，即“X型反铁磁体”。通过结构搜索和高通量计算，团队从材料数据库中筛选出15种潜在的 X 型反铁磁体候选材料，并根据对称性和结构特征提出了交叉链晶格模型，归纳出X型反铁磁体的三种基本类型。

在筛选出的材料中，β-Fe₂PO₅ 已有实验合成，具有高于室温的反铁磁奈尔温度，是一种理想的X型反铁磁体候选材料。理论计算显示，在输运方向平行于其中一条铁磁子晶格链时，几乎完全自旋极化的电流主要沿该铁磁链传输，而垂直方向的子晶格链则基本无电流分布。这表明，通过选择电场方向，可以在X型反铁磁体中利用特定的子晶格来进行自旋传输。这种前所未有的独特性质允许我们挑选出反铁磁体中特定的子晶格来加以利用，实现传统磁性材料中无法具有的功能属性。例如，通过对特定子晶格链注入自旋流，可以产生作用于单一子晶格的非常规自旋力矩，驱动反铁磁矢量实现确定性翻转。这一特性可以用于实现反铁磁自旋电子学超快、低功耗的信息写入。

该工作提出的X 型反铁磁体，是对70年前发现的G型、A型、C型反铁磁结构家族的重要扩展，其独特的子晶格选择性输运性质，展示了在固体材料中选择利用部分原子的可能性。研究结果为实现反铁磁自旋电子学高效信息读写和新型器件设计开辟了新方向。同时，该研究采用的基于实空间磁结构的研究思路，有别于基于动量空间中能带特性的传统分析方法，有助于充分挖掘材料内部的隐藏特性，实现基于子晶格层次的新物理和新应用。

该工作被选为Newton期刊2025年第4期的封面论文。反铁磁自旋电子学理论专家、捷克科学院物理研究所Jakub Železný博士在同期撰写了题为“一种新型反铁磁结构（A new type of antiferromagnetic stacking）”的评述，对该工作进行了高度评价。

强磁场科学中心博士生张水森为论文第一作者，固体物理研究所邵定夫研究员、强磁场科学中心杜海峰研究员、内布拉斯加-林肯大学Evgeny Y. Tsymbal教授为论文共同通讯作者。该项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院建制化科研平台项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100068

评述链接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100109