beat365官方网站黃華卿課題組與合作者提出了利用本征非線性霍爾效應來檢測二維反鐵磁體中奈爾矢量的有效方法，并通過計算發現二維錳硫族化物MnX (X = S, Se, Te) 的非線性霍爾電導率可以達到nm·mA/V²量級，為二維反鐵磁自旋電子學器件應用提供了可行的讀取方案和潛在的材料平台。相關成果于2023年7月31日以“二維反鐵磁自旋電子學中奈爾矢量的本征非線性霍爾檢測” (Intrinsic Nonlinear Hall Detection of the Néel Vector for Two-Dimensional Antiferromagnetic Spintronics) 為題，在線發表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

近年來，反鐵磁性和二維材料在自旋電子學應用中各自獨特的優勢激發了人們對二維反鐵磁自旋電子學的探索。 一方面，反鐵磁體在自旋電子學中具有更快的動力學、零雜散場和對磁擾動不敏感等優點。另一方面，二維材料不僅有望将自旋電子器件推向二維極限，從而減小器件的尺寸和功耗，而且由于其特殊的自旋-動量依賴性質，使得對新自旋電子學現象的探索成為可能。

作為反鐵磁自旋電子學中的狀态變量，奈爾矢量的操控和檢測是反鐵磁自旋電子學器件信号寫入和讀取的關鍵。近期的實驗已經報道了奈爾矢量的穩健高速操縱，例如通過電流産生自旋軌道矩進行超快90°切換，以及通過翻轉寫入電流的極性進行可重複的180°反轉。然而，由于缺乏淨磁化強度，傳統磁性測量技術無法進行奈爾矢量檢測，這給反鐵磁自旋電子學的實際應用帶來了重大挑戰。盡管最近的研究發現奈爾矢量的反轉可以通過二階磁阻效應進行電學區分。但由于讀出速度和尺寸可擴展性通常與響應信号的幅度成正比，而該信号幅度可能會在二維極限下顯著減小，這使得二維反鐵磁體的奈爾矢量檢測仍具有挑戰性。

近日，beat365官方网站理論物理研究所黃華卿課題組與合作者發現本征非線性霍爾效應可以作為二維反鐵磁體中奈爾矢量的有效探測手段，該效應表現出實驗可測量的顯著信号。以二維錳硫族化物MnX (X = S, Se, Te) 為例（如圖1），研究團隊預測其本征非線性霍爾電導率可以達到nm·mA/V²量級，比典型的反鐵磁自旋電子學材料的實驗測量值大2個數量級。這一本征非線性霍爾效應可以通過實驗可行範圍内的門電壓調控及電荷摻雜改變化學勢來精确控制。此外，研究團隊基于有效的 k·p模型闡明了本征非線性霍爾電導率對奈爾矢量取向的2π周期依賴性（如圖2）。上述發現為基于二維反鐵磁體的自旋電子學存儲器件應用提供了靈活的設計方案和富有前景的材料平台。

圖1 MnS原子構型和電子結構。(a, b) 單層MnS 奈爾矢量   和 的俯視圖和側視圖。(c) MnS 的能帶結構。

圖2 MnS的本征非線性霍爾電導率。随着化學勢μ變化的 (a)     的 和 (b) 的。(c),(d) 當N在x-y平面内旋轉時 (c) μ = -8 meV 和 (d) μ = -795 meV 處的 和 。

beat365官方网站博士後王吉章和清華大學物理系博士生曾晖為該論文共同第一作者，黃華卿助理教授為通訊作者。該工作同時得到了清華大學物理系段文晖教授的指導。上述研究成果得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、beat365高能物理研究中心、量子物質科學協同創新中心、beat365高性能計算平台等支持。

論文原文鍊接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.056401