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朱增伟教授团队在非共线反铁磁手性磁畴壁行为上取得重要进展
发布时间:2019-07-10

7月9日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线刊发了华中科技大学物理学院强磁场物理研究所朱增伟教授团队关于非共线反铁磁手性磁畴壁行为的研究成果。该论文标题为“Chiral domain walls of Mn3Sn and their memory”,我校为论文第一单位,物理学院强磁场物理研究所朱增伟教授和高端外国专家Kamran Behnia教授为论文通讯作者,物理学院16级直博生李小康为论文第一作者,17级博士生许良才和国家脉冲强磁场科学中心左华坤工程师参与相关工作。

反铁磁体系是一类在基础研究上具有非常重要研究意义且具有重要应用价值的材料,是近些年电子自旋器件的重要研究对象,国际顶级杂志《自然·物理》(Nature Physics)和《现代物理评论》(Review of Morden Physics)曾于2018年分别进行专刊约稿综述报道反铁磁电子自旋器件研究和展望。反铁磁材料拥有众多优异的性能,例如在某些反铁磁材料里能拥有比铁磁体系更大或相当的反常霍尔效应(AHE)、反常能斯特效应(ANE)、反常里纪-勒杜克效应(ARLE)。其中,Mn3Sn是一种反铁磁转变温度高达420K的室温Kagome非共线反铁磁材料,可以成为一种非常好的室温电子自旋器件的研究平台。

朱增伟教授团队早在2015年便敏锐地发现了Mn3Sn反铁磁体系研究的重要性,并开始扎根于该体系的研究,目前已取得一系列成果,成为国际上该体系输运实验研究的三大课题组之一,同时也是最年轻的课题组。该团队于2017年在国际上第一次报道了非共线反铁磁中的反常能斯特和里吉-勒杜克效应(PRL, 2017, 119.056601),引起国际广泛关注,随后于2018年在美国物理学会三月会议(APS March Meeting)作邀请报告。2018年,他们第一次报道了非共线反铁磁材料中的拓扑霍尔效应并提出贝瑞曲率可随磁矩方向旋转的理论(SciPost Physics 5 (6), 063)。最近,他们又提出了一种新的魏德曼-弗兰兹定律违背机制(arXiv:1812.04339)。此次研究也是该体系的研究成果之一。

该研究中,朱增伟团队利用脉冲强磁场实验装置的电输运平台,对Mn3Sn横向电磁输运特性和横向磁化性质进行研究,发现了三种新的物理效应,分别是:一种新机制产生的平面霍尔和能斯特效应(planar Hall and planer Nernst effect),横向磁化效应(transverse magnetization),以及手性磁畴翻转记忆效应(memory effect)。传统的霍尔效应是在垂直于磁场和电流的方向上进行观测,但平面霍尔效应打破了这种固定思维。研究发现,当用外部磁场调控晶体内部磁畴翻转时,在磁畴壁(domain wall)的精细结构中可以存在与外部磁场方向垂直的自旋磁矩状态,这些垂直的自旋磁矩可以在晶体内部产生高达50特斯拉的虚拟内场,所以即使在平行于磁场的方向,也能观察到平面反常霍尔效应,如图1所示。同时,传统磁化测量是在与磁场平行的方向进行探测,该团队巧妙地利用二维电子气(2DEG)霍尔探测芯片紧贴在样品表面,通过转角,在与外磁场垂直方向上探测到了非常大的横向磁化效应,如图2所示。

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为了更深入地理解这些新发现的现象,该团队提出了一种Mn3Sn的自旋晶格结构,见图3。从磁场导致的单畴到反向磁场的单畴过程,可根据不同磁畴内部的自旋转向构型就可以解释四种翻转过程顺时针上(下)、逆时针上(下)翻转,成功解释了所有的实验发现。基于此理论的分析,还成功预言并实验观测到了一种新的记忆效应(图4),即样品所经历的先驱磁场记忆,可以对平面霍尔效应和横向磁化的信号进行正负符号的开关切换,有望用于记忆器件。

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朱增伟教授现为我校物理学院强磁场物理研究所凝聚态输运团队负责人,目前该团队已掌握了高质量单晶生长,强磁场物理、极低温物理等极限条件下物理输运测量,高精度热电、热输运测量等技术优势,在强场物理领域研究和反铁磁输运体系研究等方向取得了系列重要成果,包括《物理评论快报》(Physical Review Letters)(2015;2017)、《自然·通讯》(2017)、《物理评论X》(Physical Review X)(2019),并多次在美国物理学会三月会议作邀请报告(2017;2018),研究水平达到国际顶尖水平,获得了国际广泛认可。其中,团队成员李小康为华中师范大学物理学基地班保送生,研究生期间学习认真刻苦,科研能力强,于2017年以第一作者在PRL发表了关于Mn3Sn的横向热导研究。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校基本科研业务费及我校高端外专项目等支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10815-8

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