《科學進展》重磅：室溫手性磁體中的非互易輸運

在凝聚態物理學不斷演進的版圖中，室溫手性磁體中的非互易輸運研究，標志著從基礎對稱性研究向實現功能性量子電子器件的一次跨越。發表在《科學進展》的論文《Nonreciprocal transport in a room-temperature chiral magnet》成功地在室溫環境下，從手性磁體 Co?Zn?Mn?中識別并解耦了復雜的電整流機制。

這項突破不僅是實驗室里的物理發現，它還解決了一個長期存在的挑戰：如何利用單一塊體材料的內在特性來模仿半導體二極管的行為，而無需構建復雜的 p-n 結。

一、 對稱性基礎：打破反演與時間

要理解非互易輸運，首先必須審視系統的對稱性。在普通金屬中，電阻是“互易”的，這意味著無論電流正向還是反向流動，電壓降都是相同的。這是昂薩格倒易關系（Onsager’s reciprocal relations）的結果，只要系統保持空間反演對稱性或時間反演對稱性，該關系就成立。

手性磁體——其晶體結構具有類似左旋或右旋的“手性”——本質上打破了空間反演對稱性。當施加外磁場（或發生自發磁化）時，時間反演對稱性也被打破。這種雙重對稱性破缺允許出現磁手性各向異性（Magnetochiral Anisotropy, MCA）效應，即電阻取決于電流I與磁場B的相對方向，表達式為：

其中γ被稱為非互易系數。

二、 研究對象：Co?Zn?Mn?

研究人員將目光投向了三元合金 Co?Zn?Mn?。這種材料具有β-Mn 型手性立方結構（空間群為P4?32或 P4?32）。該家族材料以在室溫及以上溫度能產生斯格明子而聞名。

通過調整錳（Mn）的含量，研究團隊將材料的磁相變溫度（Tc）穩定在 301 K（約 28°C）。這使得非互易效應可以在環境條件下觀測到，這是任何未來消費電子應用的前提條件。

三、 雙重機制：分離與鑒定

這篇論文的核心亮點在于成功分離了貢獻給非互易信號的兩種截然不同的物理機制：

1. 自旋波動誘導的手性散射：在相變溫度 Tc 附近，材料中的自旋非常“活躍”。傳導電子與這些手性自旋波動之間的相互作用導致了強烈的非互易響應。研究發現，這一分量在Tc處達到峰值，并表現出與磁化強度M相關的特定磁場依賴性。
2. 非對稱能帶色散：即使在遠離相變點的溫度下，手性晶格與自旋-軌道耦合（SOC）的結合也會導致電子能帶在動量空間中本質上變得不對稱。在這種狀態下，向一個方向運動的電子與向相反方向運動的電子所經歷的狀態密度或速度不同。與基于波動的機制不同，這是電子結構本身的內在屬性。

通過將實驗數據與基于玻爾茲曼輸運方程的理論計算進行對比，作者證明了這兩種機制共存，但在不同的溫度和磁場條件下分別占據主導地位。

四、 尋找“無結”整流技術

這項研究對自旋電子學領域具有深遠影響。傳統上，整流（將交流電轉換為直流電）需要 p-n 結或肖特基勢壘——即兩種不同材料之間的界面。這些界面往往會引入能量損耗和制造上的復雜性。

Co?Zn?Mn?的研究展示了一種“塊體”二極管效應。單塊手性磁體即可充當整流器。由于該效應根植于材料的對稱性而非界面，理論上它可以縮小到原子尺度，為以下領域開辟了道路：

• 超小型化整流器：用于高頻信號處理。
• 定向傳感器：通過簡單的電阻變化探測磁場。
• 節能計算組件：利用手性磁體的拓撲特性。

總結

這篇關于室溫手性磁體非互易輸運的論文，標志著手性磁性研究從“發現階段”轉向“工程階段”。通過清晰地描繪自旋波動和能帶拓撲如何貢獻于非互易性，研究者為設計下一代室溫量子材料提供了“說明書”。