科学家们提出了一种新型的“X型反铁磁体”

近日，中国科学院合肥物质科学研究所研究员邵定夫、杜海峰和合作伙伴提出了一种具有交叉链结构的新型反铁磁材料，将其命名为“X型反铁磁体”，并预测有子晶格选择性自旋运输和非常规反铁磁动力学。相关研究成果发表在细胞出版社的物理期刊《牛顿》上，并被选为封面论文。

反铁磁材料是由两个或两个以上的铁磁子晶格组成的磁性材料。在交换相互作用的影响下，子晶格之间的磁矩反平行或非共线排列，使整体外观不显示宏观磁化强度。该材料具有分散磁场、超快磁动力学响应等优点，被认为是下一代实现高密度、低功耗、高稳定性、超快读写的自旋电子设备的理想候选材料。然而，由于内部子晶格贡献的自旋输送性质相互抵消，反铁磁材料通常不具有自旋极化的输送特性，因此很难实现电子学的应用。如果能有选择地使用反铁磁体的单个子晶格，就有可能开辟探索新物理现象、发展高性能自旋电子学应用的新途径。但传统观点认为，固体材料的宏观性质来自于所有原子的集体贡献，单独选择部分原子通常是不可行的。

在这项工作中，通过对反铁磁体实空间堆叠方法的分析，研究小组提出，自然界中有一种形状像英文字母“X“交叉链结构共线性反铁磁体，即“X型反铁磁体”。通过结构搜索和高通量计算，团队从材料数据库中筛选出15种潜在的X型反铁磁体候选材料，并根据对称性和结构特点提出了交叉链晶格模型，总结了X型反铁磁体的三种基本类型。

在筛选出的材料中，研究人员指出，实验报道的磷酸铁具有天然的交叉链结构和高于室温的反铁磁奈尔温度，是理想的X型反铁磁体候选材料。理论计算表明，在磷酸铁中，当运输方向与其中一个铁磁子晶格链平行时，几乎完全自旋转的电流主要沿铁磁链传输，而垂直方向的子晶格链基本上没有电流分布。这表明，通过选择电场方向，特定的子晶格可以用于X型反铁磁体的自旋传输。这种前所未有的独特性允许人们选择反铁磁体中的特定子晶格进行使用，以实现传统磁性材料中不可用的功能属性。

工作中提出的X型反铁磁体是70年前发现的G型和A型反铁磁体、C型反铁磁结构家族的重要扩展，其独特的子晶格选择性运输性能，显示了在固体材料中选择使用部分原子的可能性。

研究结果为实现反铁磁自旋电子学的高效信息读写和新设备设计开辟了新的方向。同时，基于实空间磁结构的研究思路有助于充分挖掘材料内部的隐藏特性，实现基于子晶格水平的新物理、新应用。