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反铁磁体中的液晶相可以通过电学方式探测
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反铁磁体中的液晶相可以通过电学方式探测 下一代磁性器件（可用于信息的供能、存储、传感或传输）的最佳候选材料，或许出人意料地是反铁磁体。目前应用最广泛的磁性材料是铁磁体，它们具有永久磁化，因此彼此之间会产生强烈吸引。与之相对的反铁磁材料则完全不表现出净磁化。尽管其净磁场为零，但反铁磁体却具有许多引人注目的特性，有望解决当前磁性技术面临的挑战，例如杂散磁场的产生或器件运行速度较慢等问题。 如今，由Tohoku University领导的研究团队迈出了开发反铁磁技术的第一步。研究人员首次发现，在电流作用下，反铁磁体可以表现出一种被称为“液晶”或“向列相”的物质相，并且这种相可以通过电学方式进行探测。该研究成果发表在Nature Communications上。 “我们研究的反铁磁体具有与传统铁磁体根本不同的对称性，这意味着它们不仅仅是另一种可替代的材料平台，而是一类有望承载全新电子功能的新型磁体，”通讯作者Hideaki Sakai表示。 为了实现与铁磁体相当的功能，反铁磁体必须同时打破时间反演（T）对称性和空间反演（或称宇称，P）对称性。这类新兴材料被称为 PT 对称反铁磁体，它们分别打破 T 和 P 对称性，但保持二者组合的 PT 对称性不变。 T 对称性指的是一个系统在时间正向和反向演化时应当表现相同。当 T 对称性被打破时，会产生自旋相关的能带分裂，即系统中电子的能级依赖于其自旋这一物理性质。这会导致系统在“向前”和“向后”演化时表现不同。 P 对称性则指系统在空间镜像下应具有相同的物理行为。若 P 对称性被打破，系统的镜像结构将表现出不同的行为。这类新材料同时打破 T 和 P 对称性，但两种破缺方式相互“抵消”，从而保持整体的 PT 组合对称性不被破坏。 “该领域近期的研究揭示了一些特殊晶体结构，它们允许打破 T 对称性并实现新的功能，”Sakai 说道。“相比之下，对于同时打破 P 对称性的反铁磁体，人们了解得要少得多。这类系统具有特殊的电子能带结构，从而产生与传统铁磁体或仅打破 T 对称性的反铁磁体根本不同的物理性质。” 研究团队考察了锶锰铋化物 SrMnBi2。该晶体材料由交替堆叠的 PT 对称反铁磁层与高导电性的狄拉克电子层组成，后者是一种允许电子以高速线性色散方式运动的材料结构。 研究人员在施加电流和磁场的条件下测量了电子输运性质，观察到一种由电流诱导的电子形变。这种形变表现为类似二极管的非线性电阻信号，即类似二极管那样只允许电流单向流动的电学不对称行为。 “重要的是，二极管极性依赖于磁场方向，这为在 PT 对称反铁磁体中由电流诱导的电子向列相提供了明确证据，”Sakai 表示。 他们还发现，通过调控电流和磁场，可以切换二极管的方向。这与传统二极管的工作方式不同，提供了一种全新的电子器件工作原理。 这项研究首次证明，反铁磁体可以表现出由电流诱导的电子“液晶”态，并且这种状态可以通过电阻变化直接进行电学探测。这为实现全新的器件功能提供了可能，而不仅仅是对现有自旋电子学技术的渐进式改进。 Publication details Hideaki Sakai et al, Transport evidence of current-induced nematic Dirac valleys in a parity-time-symmetric antiferromagnet, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-025-67229-y |
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