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北航自旋芯片与技术全国重点实验室Newton：完善反铁磁标度定理框架，能揭示反常霍尔效应的复杂起源

CellPress细胞科学

2025-03-27 17:01发布于北京CellPress细胞科学官方账号

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物质科学

Physical science

2025年3月26日，北航自旋芯片与技术全国重点实验室赵巍胜教授团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton发表了题为“Identification of the Intrinsic, Topological, and Extrinsic Anomalous Hall Effects in Noncollinear Antiferromagnets”的研究论文，该团队通过国产自研的磁控溅射设备成功制备了高质量单晶Mn₃Pd反铁磁材料，在传统物理模型的基础上[1]，提出了一种有效分析反常霍尔效应起源的方法，为理解反铁磁材料中的反常霍尔效应提供了新思路。

文章亮点

在非共线反铁磁Mn₃Pd中发现巨大的反常霍尔效应；
反常霍尔电阻遵循新的标度定律；
确定了本征、拓扑和边跳散射的贡献。

文章简介

TYJ 模型

TYJ模型（Tian-Ye-Jin模型）是一种用于解释铁磁材料反常霍尔效应（Anomalous Hall Effect, AHE）的理论模型，由知名学者Xiaofeng Jin等提出。该模型通过结合实验数据和理论计算，系统地分析了铁磁材料反常霍尔效应的多重起源，包括本征贡献和外在贡献，为理解复杂磁性材料中的自旋输运行为提供了重要理论框架。

反铁磁中的反常霍尔效应

反铁磁中的反常霍尔效应（Anomalous Hall Effect, AHE）是近年来凝聚态物理和自旋电子学领域的研究热点之一。与铁磁材料中的反常霍尔效应不同，材料由于其净磁化强度为零，传统理论认为其反常霍尔效应应非常微弱甚至不存在。然而，实验发现某些反铁磁材料（如Mn₃Sn、Mn₃Ge、RuO₂等）表现出显著的反常霍尔效应，这引发了对其物理机制的深入研究。虽然本征的反常霍尔效应都来源于非零的贝里曲率，但反铁磁中的反常霍尔效应更为复杂，包括在非共线反铁磁中标量自旋手性导致的拓扑反常霍尔效应，以及交变磁性中非磁性原子手性分布导致的晶体霍尔效应。而且由于磁性杂质散射的影响存在，非本征的散射也应该存在。为了系统性地量化这些起源，我们结合第一性原理计算，提出了反铁磁中的标度定律。

图1. 时间反演对称性破缺反铁磁的标度定律

标度定理介绍

反常霍尔标度定理（Scaling Law of AHE）是描述反常霍尔效应与材料电输运性质之间关系的理论框架。该定理通过实验数据和理论分析，揭示了反常霍尔电阻率(ρₐₕ)与纵向电阻率(ρₓₓ)之间的普适标度关系，为理解反常霍尔效应的物理机制提供了重要工具。

反常霍尔标度定理的核心数学表达式为：

ρₐₕ = aρₓₓ + bρₓₓ²

其中：a 是外在贡献(边跳散射)的系数。b 是本征贡献和边跳散射(贝里曲率)的系数。该公式表明，反常霍尔电阻率与纵向电阻率之间存在线性和二次依赖关系。通过拟合实验数据，可以分离出a和b的贡献。不同材料的反常霍尔效应机制可以通过标度定理进行区分和量化。标度定理为理论模型（如TYJ模型）提供了实验验证的工具。

图 2. L1₂ Mn₃Pd的线性标度定律

(a,c)，手性反铁磁L1₂ Mn₃Pd薄膜中的 (a) ρₐₕ /ρₓₓ 和 (c) ρₐₕ /(ρₓₓ (f(T)) 与ρₓₓ的关系图。图 (c) 中的斜率和截距分别代表了b和a的反常霍尔效应的标度因子。橙色线表示Mn原子的自旋排列，黑色虚线表示外加磁场的方向，红色箭头表示净磁矩的方向。实线表示线性拟合。(b)，30 nm Mn₃Pd的磁化强度-温度 (M-T) 曲线。

反铁磁标度定理的意义

反铁磁标度定理是研究反铁磁材料中AHE的重要理论工具。与传统的铁磁材料相比，反铁磁材料具有净磁化强度为零、抗外部磁扰动和超快自旋动力学等独特性质。以下是反铁磁标度定理的主要优势：

1. 揭示多重贡献机制

反铁磁标度定理能够有效分离和量化反常霍尔效应的多重贡献，包括：

本征贡献：由贝里曲率(Berry curvature) 引起，与材料的能带结构密切相关。
外在贡献：由杂质散射(如边跳散射)引起。
拓扑贡献：由拓扑自旋结构(如标量自旋手性)引起。

通过反铁磁标度定理，可以清晰地识别不同贡献的相对大小，从而深入理解反常霍尔效应的物理机制。

2. 适用于复杂反铁磁材料

反铁磁标度定理不仅适用于传统反铁磁材料，还适用于具有复杂自旋结构或晶体对称性破缺的反铁磁材料，例如：

非共线反铁磁材料(如Mn₃Sn、Mn₃Ge)：其对称性破缺的非共线自旋结构导致非零贝里曲率和显著的反常霍尔效应。
交变磁性材料(如MnTe)：其晶体对称性破缺可以增强反常霍尔效应。

反铁磁标度定理为研究这些复杂材料中的反常霍尔效应提供了统一的理论框架。

3. 实验与理论结合

反铁磁标度定理通过结合实验数据和理论计算，能够更准确地描述反常霍尔效应的实验观测结果。具体步骤包括：

实验测量：通过测量不同温度和外加磁场下的霍尔电阻率(ρₐₕ)和纵向电阻率(ρₓₓ)，获取材料的电输运特性。
理论计算：基于第一性原理计算，分析材料的能带结构和贝里曲率分布。
贡献分解：通过拟合实验数据，分离出本征、外在和拓扑贡献的相对大小。

4. 指导新型器件设计

反铁磁标度定理为开发基于反铁磁材料的新型自旋电子学器件提供了重要理论指导，例如：

高速存储器：利用反铁磁材料的超快(THz)自旋动力学特性，开发高速、高密度存储器。
低功耗传感器：利用反铁磁材料的抗外部磁扰动特性，开发低功耗、高灵敏度传感器。
拓扑运算器件：利用反铁磁材料中的拓扑自旋结构，实现的信息的记录与操控。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文作者赵巍胜教授代表团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

赵巍胜教授：

该研究采用了国产高精度磁控溅射系统制备Mn₃Pd单晶，并利用磁电输运测量技术，结合第一性原理计算分析了电子结构与输运特性。此外，研究团队基于经典的TYJ模型，推导出了一种新的方法，可有效分离AHE的不同来源，为未来反铁磁自旋电子器件的研究奠定了基础。该研究对于反铁磁自旋电子器件的开发具有重要意义，有望推动低功耗存储器(MRAM)、自旋逻辑器件和量子计算的发展。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？

赵巍胜教授：

在研究过程中，我们遇到了低温下各向异性强、难以测到饱和反常霍尔效应(AHE)的难题。通过优化实验条件和理论分析，我们发现反常霍尔效应的标度规律在室温附近仍然适用，且与温度影响的磁化强度无关，表明其主要来源于拓扑属性而非类铁磁性。此外，Newton的编辑和审稿人在审稿过程中提出了宝贵建议，帮助我们重新审视数据并发现了这一规律。通过改进材料制备、多次重复实验以及多方法验证，我们克服了数据可靠性问题，最终揭示了反铁磁霍尔效应的拓扑机制。这一成果深化了对反铁磁材料中反常霍尔效应的理解，为新型自旋电子学器件的设计提供了重要理论支持。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

赵巍胜教授：

团队的下一步研究计划将聚焦于反铁磁磁性隧道结(AFM-MTJs)的开发与应用。我们计划基于反铁磁材料(如Mn₃Sn、RuO₂)的独特性质，设计并制备高性能磁性隧道结，实现高隧穿磁阻比（TMR）和低功耗操作。通过优化材料界面和器件结构，确保其在室温下的稳定性和可扩展性。研究将重点关注界面效应与自旋输运机制、电场调控反铁磁序以及拓扑属性对器件性能的影响。利用磁控溅射和分子束外延技术制备高质量薄膜，结合界面工程和应力调控提升器件性能。最终目标是开发高速低功耗存储器、自旋逻辑器件，推动反铁磁隧道结的实用化进程，为自旋电子学领域的发展做出重要贡献。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Newton来发表这个工作的原因？

赵巍胜教授：

首先，Newton期刊以伟大的物理学家艾萨克·牛顿命名，象征着对物理学深厚传统的致敬。我们团队对牛顿在科学史上的卓越贡献深感崇敬，选择这一期刊也是对科学精神的传承与致敬。其次，Newton作为Cell Press细胞出版社旗下专注于物理学的高水平期刊，以其严谨的学术标准和广泛的国际影响力著称。我们认定这是一本能够比肩顶级物理类出版物的新刊，能够为我们的研究成果提供高质量的展示平台。最后，Newton期刊的编辑和审稿团队在物理领域具有深厚的专业背景，他们在审稿过程中提出了许多建设性意见，极大地提升了研究的科学性和严谨性。我们相信，通过这一平台，我们的工作能够更好地与国际学术界分享，并推动相关领域的研究进展。

参考文献

[1] Y. Tian, L. Ye, and X. Jin, Multivariable Scaling for the Anomalous Hall Effect. Phys. Rev. Lett. 103, 087206 (2009).

作者介绍

赵巍胜

教授

赵巍胜教授，IEEE Fellow，国际电气与电子工程师协会会士遴选委员会委员（2021-），《集成电路与嵌入式系统》期刊总主编（2023-），ESI全球高被引科学家（2024-）。现任中国科协第十届常务委员会委员（2021-2026）、教育部第八届科学技术委员会委员（2021-2026），曾任北京航空航天大学集成电路科学与工程学院首任院长（2018-2021）、研究生院常务副院长（2021-2023），现任北京航空航天大学副校长，兼任费尔北京研究院院长、北航-歌尔联合微电子研究院院长、工业和信息化部"空天信自旋电子"重点实验室主任。先后入选国家领军人才计划（2020）、荣获科学探索奖（2021）、华为奥林帕斯先锋奖（2022）以及中国教师发展基金会首届卓越青年研究生导师奖励基金（2023）等重要奖项。赵教授2007年获得法国南巴黎大学（现巴黎萨克雷大学）物理学博士学位，2009年获聘法国国家科学研究院终身研究员，并担任法国南巴黎大学客座教授、博士生导师，主持法国科学院基础电子研究所自旋电子器件设计与建模团队。2011-2013年任法国南巴黎大学校长助理，主管中国事务。2013年全职回国加盟北京航空航天大学，创建自旋电子交叉学科研究中心；2014年与诺贝尔物理学奖得主阿尔贝·费尔教授共同创立费尔北京研究院并担任院长。赵教授长期致力于自旋电子学、新型信息器件与非易失存储器等领域的创新研究。归国后，他系统开展了超低功耗自旋存储与逻辑器件研究，创新性提出自旋轨道矩与自旋转移矩协同调控的新机制，成功研制出基于钨薄膜的超高隧穿磁阻效应隧道结器件，并实现反铁磁自旋存储器件的全电学读写。目前主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划等多项国家级科研项目。研究成果丰硕，近五年以第一/通讯作者在Nature Electronics、Proceedings of the IEEE、Physical Review Letters、PNAS等顶级期刊及IEDM等国际会议上发表论文300余篇，其中ESI高被引论文15篇，总引用逾25000次，H指数超过80。获授权国内外专利200余项（80余项完成技术转化）。在国际学术会议（TMRC、NVMST、DATE等）作特邀报告120余次，曾担任第12届ACM/IEEE纳米尺度架构国际研讨会（2016）和第30届ACM超大规模集成电路研讨会（2020）大会主席。2018年起担任欧盟杰出研究学者计划（ERC）评审专家，2021-2022年任IEEE国际电子器件大会（IEDM）技术程序委员会委员。2020-2022年连续入选爱思唯尔"中国高被引学者"榜单。