近日，中國科學院合肥物質院強磁場中心低功耗量子材料平臺研究團隊邵定夫研究員、杜海峰研究員與合作者預言了一類具有交叉鏈結構的新型反鐵磁材料，團隊將其命名為“X型反鐵磁體”，并預測其中存在具有子晶格選擇性的自旋輸運和非常規反鐵磁動力學。相關研究成果發表于Cell出版社旗下的物理學旗艦期刊Newton，并被選為封面論文。
反鐵磁材料是由兩個或多個鐵磁子晶格組成的磁性材料。在交換相互作用的影響下，子晶格間的磁矩反平行或非共線排列，使整體對外不顯示宏觀磁化強度。這類材料具有零雜散磁場、超快磁動力學響應等優點，被視為實現高密度、低功耗、高穩定性、超快讀寫的下一代自旋電子學器件的理想候選材料。然而，由于內部子晶格貢獻的自旋輸運性質互相抵消，反鐵磁材料通常不具有自旋極化的輸運特性，很難實現電子學應用。如果能夠有選擇性地利用反鐵磁體的單個子晶格，就有可能開辟探索新物理現象與發展高性能自旋電子學應用的嶄新路徑。但傳統觀點認為，固體材料的宏觀性質來源于所有原子的集體貢獻，單獨選擇部分原子加以利用通常是不可行的。
在此工作中，研究團隊通過對反鐵磁體實空間堆疊方式的分析，提出自然界中存在一種具有形狀如同英文字母“X”的交叉鏈結構共線性反鐵磁體，即“X型反鐵磁體”。通過結構搜索和高通量計算，團隊從材料數據庫中篩選出15種潛在的 X 型反鐵磁體候選材料，并根據對稱性和結構特征提出了交叉鏈晶格模型，歸納出X型反鐵磁體的三種基本類型。
在篩選出的材料中，β-Fe?PO? 已有實驗合成，具有高于室溫的反鐵磁奈爾溫度，是一種理想的X型反鐵磁體候選材料。理論計算顯示，在輸運方向平行于其中一條鐵磁子晶格鏈時，幾乎完全自旋極化的電流主要沿該鐵磁鏈傳輸，而垂直方向的子晶格鏈則基本無電流分布。這表明，通過選擇電場方向，可以在X型反鐵磁體中利用特定的子晶格來進行自旋傳輸。這種前所未有的獨特性質允許我們挑選出反鐵磁體中特定的子晶格來加以利用，實現傳統磁性材料中無法具有的功能屬性。例如，通過對特定子晶格鏈注入自旋流，可以產生作用于單一子晶格的非常規自旋力矩，驅動反鐵磁矢量實現確定性翻轉。這一特性可以用于實現反鐵磁自旋電子學超快、低功耗的信息寫入。
該工作提出的X 型反鐵磁體，是對70年前發現的G型、A型、C型反鐵磁結構家族的重要擴展，其獨特的子晶格選擇性輸運性質，展示了在固體材料中選擇利用部分原子的可能性。研究結果為實現反鐵磁自旋電子學高效信息讀寫和新型器件設計開辟了新方向。同時，該研究采用的基于實空間磁結構的研究思路，有別于基于動量空間中能帶特性的傳統分析方法，有助于充分挖掘材料內部的隱藏特性，實現基于子晶格層次的新物理和新應用。
該工作被選為Newton期刊2025年第4期的封面論文。反鐵磁自旋電子學理論專家、捷克科學院物理研究所Jakub ?elezny博士在同期為該工作撰寫了題為“一種新型反鐵磁結構（“A new type of antiferromagnetic stacking）”的評述，對該工作進行了高度評價。
合肥物質院強磁場中心博士生張水森為論文第一作者，合肥物質院固體所邵定夫研究員、強磁場中心杜海峰研究員、內布拉斯加-林肯大學Evgeny Y. Tsymbal教授為論文共同通訊作者。該項研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院建制化科研平臺項目、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100068
評述鏈接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100109
圖1.G型、A型、C型和X型反鐵磁體
圖2.X型反鐵磁體的三種基本類型
圖3.：X型反鐵磁體候選材料β-Fe2PO5
圖4.基于X型反鐵磁體的單子晶格自旋力矩及潛在器件應用
圖5.Newton 2025年第4期封面圖，描繪了X型反鐵磁體中的單子晶格鏈自旋輸運現象
