中国科学院合肥物质院邵定夫/杜海峰等Newton：具有X型结构的交叉链反铁磁体 | Cell Press对话科学家

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2025-04-14 17:02发布于北京CellPress细胞科学官方账号

物质科学

Physical science

2025年4月11日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所邵定夫研究员、强磁场中心杜海峰研究员与合作者在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表了一篇题为“X-type stacking in cross-chain antiferromagnets”的理论研究论文。

该工作发现了一种具有X型结构的交叉链反铁磁体。这种X型反铁磁体支持具有子晶格选择性的自旋输运，可以实现对反铁磁体内部单一子晶格的利用，有望用于实现反铁磁自旋电子学高效的信息读写。

文章亮点

发现了一种具有交叉链结构的新型反铁磁体，具有区别于传统的G型、A型、C型等构型的X型反铁磁结构
X型反铁磁体支持具有子晶格选择性的自旋输运，可以实现对反铁磁体内部单一子晶格的利用
提出了基于单子晶格自旋力矩的奈尔矢量翻转机制

文章简介

研究背景

固体材料的宏观物理性质通常来源于所有原子的集体行为。例如，在传统铁磁材料中，所有磁矩会沿同一方向排列，对外表现出宏观磁化强度和自旋极化的输运特性；而反铁磁材料则展现出截然不同的特性：其内部包含两个或多个铁磁子晶格，这些子晶格中的原子磁矩以相反方向有序排列，使整体对外不显示宏观磁化强度，通常也不具有自旋极化的输运特性。因此，虽然反铁磁材料具有超快磁动力学响应、零杂散场等优势，但一直难以实现自旋电子学应用。以共线性反铁磁体为例，常规的G型、A型、C型等反铁磁结构中两个子晶格的排列通常高度对称，导致磁交换作用、电输运等性质在不同子晶格间几乎完全相同。这种均匀性使得外部刺激（如电场）难以区分并单独作用于某一子晶格，使得自旋输运性质相互抵消。如果能够有选择性地对反铁磁体的单个子晶格进行利用，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机遇。

图1：G型、A型、C型和X型反铁磁体

具有交叉链结构的X型反铁磁体

研究团队通过对反铁磁体实空间中的堆叠方式进行分析，提出自然界中可以存在一种区别于上述传统结构的全新反铁磁结构。这种结构以铁磁链为基本单元，磁矩相同的铁磁链在同一层内平行排列，与相邻层内的磁矩相反的铁磁链相互交叉，形成独特的交叉链结构(图1)。由于英文字母“X”被广泛地用于描述交叉图案，研究团队将这种交叉链反铁磁体命名为X型反铁磁体。通过对材料数据库的结构搜索和高通量计算，研究团队找到了15种潜在的X型反铁磁体，并根据对称性总结出了X型反铁磁体的三种基本类型（图2）。

图2： X型反铁磁体的三种基本类型

具有子晶格选择性的自旋极化输运特性

在研究团队筛选出的X型反铁磁体候选材料中，β-Fe₂PO₅已有实验合成，具有高于室温的反铁磁奈尔温度。通过对该材料的理论计算，研究团队发现当输运方向平行于β-Fe₂PO₅的Fe_A原子链时，几乎完全自旋极化的电流主要沿着Fe_A原子链进行传输，而垂直的Fe_B原子链上则基本没有电流分布(图2)。这说明可以通过选择电场的方向，在X型反铁磁体中利用特定的子晶格来进行自旋传输(图 1E)。这种具有子晶格选择性的自旋极化输运特性允许我们挑选出X型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。

图3：X型反铁磁体候选材料β-Fe₂PO₅

基于单一子晶格自旋力矩的奈尔矢量翻转新机制

基于X型反铁磁体独特的子晶格选择性，研究团队提出了一种反铁磁奈尔矢量翻转的新机制：通过在单一子晶格中注入自旋流，可以产生一个只作用于该子晶格的自旋力矩，这一力矩可以带动该子晶格内的磁矩发生翻转，同时子晶格间的反铁磁交换作用带动另一子晶格也随之翻转，从而实现奈尔矢量的超快翻转。与传统机制不同，这种机制只需要极小的力矩就可以实现奈尔矢量的翻转。同时，研究团队发现，如果施加较大的力矩，可以导致奈尔矢量的超快震荡。因此，可以利用这一单子晶格力矩引起的非常规反铁磁动力学特性，设计不同类型的高性能自旋电子学器件，如反铁磁赛道存储器、具有天然交叉阵列的高密度存储器等(图4)。

图4：基于X型反铁磁体的单子晶格自旋力矩及潜在器件应用

总结与展望

X反铁磁体的独特交叉链结构带来了具有子晶格选择性的自旋极化输运性质，允许实现单子晶格的自旋力矩和非常规反铁磁动力学，可以用来实现反铁磁自旋电子学高效的信息写入和读取，同时有望催生新型的反铁磁器件方案，应用于具有超高密度和超快翻转速度的非易失性存储器中。同时，X型反铁磁体的发现来源于对实空间磁结构的分析，这种研究思路有别于对于动量空间能带结构的分析方法，有助于充分挖掘反铁磁体内部的隐藏特性，实现基于子晶格层次的新物理和新应用。

作者访谈

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者之一邵定夫研究员代表研究团队进行了专访，为大家进一步详细解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

邵定夫研究员：

传统的G型、A型、C型等反铁磁体早在70多年前就已经被发现，对人们理解反铁磁材料的基本物性提供了重要的帮助。而我们发现的X型反铁磁体是对这种反铁磁体结构分类的一个扩展，同时带来了传统反铁磁结构不具备的新特性。从基础物理的角度来说，固体材料的宏观性质一般来源于所有原子的集体作用，而从材料内部单独挑出一部分原子加以利用通常是不可能的。而我们在X型反铁磁体中可以选择特定的子晶格来进行自旋传输，这突破了对材料宏观输运特性的传统认知。从应用的角度来说，这种具有子晶格选择性的自旋输运意味着我们可以单独利用单一子晶格的极化特性，而不用担心另一子晶格的抵消效应，因而产生的宏观输运性质有望实现极强的自旋极化。同时，对单一子晶格施加力矩也能够实现皮秒量级的反铁磁奈尔矢量翻转。这些特性对反铁磁自旋电子学高效的信息读写以及新型器件设计有重要意义。

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？

邵定夫研究员：

我们首先基于实空间的磁结构分析，提出了X型反铁磁体这一设想。然而，我们最初并不知道自然界是否允许这种材料存在，不确定我们的设想是否只是空中楼阁。为此，我们专门对材料数据库中的数十万种材料进行了高通量搜索，找到了超过600种具有交叉链结构的材料，再基于磁交换常数的计算确认了15种X型反铁磁体候选材料。非常幸运的是，在我们筛选出的材料中，β-Fe₂PO₅是一个实验上已经被合成，磁结构也得到中子散射实验验证的X型反铁磁体，通过对其进行理论计算也完全证实了我们对X型反铁磁体特性的猜测。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

邵定夫研究员：

在通常的材料输运研究中，主流的研究思路是考察材料动量空间的能带特性，从而理解材料的宏观输运性质。而我们近年来开始尝试一个不同的思路：从实空间的磁结构出发，分析材料的局域特性，挖掘子晶格层次的输运性质。X型反铁磁体的发现就是这一思路的一次成功尝试。后续我们将沿着这一研究思路，探索反铁磁自旋电子学读取和写入的关键物理机制，以及其他量子材料中子晶格相关的新物理、新效应。

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？

邵定夫研究员：

我回国前在内布拉斯加大学进行访问研究时，发现物理系旁边的花园中种着两棵苹果树，是从据称当年“砸”过牛顿的苹果树上带回的枝条扦插而来。这说明在物理研究者心中，牛顿具有特殊的地位，我们因此对Newton这个期刊名称充满好感。

我们认同Newton期刊的办刊宗旨和期刊定位，认为Newton能够为我们的成果提供高质量的展示平台。在投稿和审稿过程中，我们感受到编辑和审稿人的专业性，他们提出宝贵意见也极大地提升了我们工作的深度和广度。

作者简介

张水森

博士研究生

张水森，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心博士研究生，导师杜海峰研究员，邵定夫研究员。

杜海峰

研究员

杜海峰，中国科学院合肥物质科学研究院磁场科学中心副主任，国家杰出青年基金、优秀青年基金项目获得者，研究领域是以磁斯格明子为代表的拓扑物态。在此领域，实验上发现了第二类拓扑物态（磁浮子）；实现了单个斯格明子可控电产生、运动、删除及探测。在Nature Nanotechnology、Physical Review Letters等发表多篇研究论文。先后承担基金委专项、青年、面上项目以及中国科学院前沿重点、仪器研制、稳定支持基础研究领域青年团队计划等多个项目。应邀撰写书籍章节3章及4篇综述论文，作为《物理学报》客座编辑组织了国内首个拓扑物态“磁斯格明子”研究专题。2016年获 “亚洲磁学联盟青年科学家奖”，2017年获得安徽省青年科学家奖，2019年获中国科学院青促会优秀会员，现担任SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy (英文版)青年编委。

邵定夫

研究员

邵定夫，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员，从事量子材料与器件的理论研究，近期研究兴趣包括反铁磁自旋电子学、铁电材料的自旋-轨道电子学等。目前发表学术论文70余篇，获SCI引用2000余次，其中以第一作者或通讯作者身份在Physical Review Letters、Nature Communications、Science Advances 等期刊发表论文30余篇。