▲第一作者：Zhiyuan Zhou
通讯作者：Cheng Song、Feng Pan
通讯单位：清华大学
论文doi：10.1038/s41586-024-08436-3
（点击文末「阅读原文」，直达链接）
晶体对称性是凝聚态物理研究的核心之一，它决定了材料的电子结构、磁性和拓扑性质。近年来，反铁磁（Altermagnet）作为一种新型磁性相备受关注。它结合了铁磁体（如自旋极化输运）和传统反铁磁体（如无杂散场、超快动力学）的优点，但其磁序的调控仍面临挑战。反铁磁序由尼尔向量（Néel vector）和晶体对称性共同决定，此前研究多聚焦于调控尼尔向量方向，而对晶体对称性的主动操控鲜有突破。本文以铬锑（CrSb）薄膜为研究对象，通过调控晶体对称性重构其反铁磁序，首次在反铁磁中实现了室温自发异常霍尔效应（AHE），并设计了两种电流驱动磁序翻转模式，为高密度存储和太赫兹振荡器提供了新思路。
1.
本工作通过衬底应变和生长控制，成功打破
CrSb
的广义镜面对称性，将共线尼尔向量转变为倾斜态，并伴随
Dzyaloshinskii–Moriya
（
DM
）相互作用的显著增强，
实现了晶体对称性调控反铁磁序重构
。这一重构过程未引发相变，仅通过晶体畸变实现磁序调控晶体对称性调控反铁磁序重构。
2.
本工作实现了
室温自发异常霍尔效应（
AHE
）的首次观测。在重构后的
CrSb
薄膜中，观察到室温下稳定的自发
AHE
，其矫顽力（最高
7 kOe
）远超缺陷铁磁贡献，证实其源于尼尔向量的
180°
翻转。这一发现突破了传统反铁磁中
AHE
需依赖自旋轨道耦合或非共线结构的限制。
3.
本工作实现了两种电流驱动磁序翻转模式（
场辅助模式以及场自由模式）
的设计，为无磁场存储器件奠定基础
。
图
1. CrSb
的磁空间对称性、异常霍尔向量及开关配置
1、
本工作首先给出了
CrSb
的晶体与磁结构（图
1a
）。
CrSb
为六方晶系（空间群
P6₃/mmc
），
A
型尼尔向量沿
[0001]
方向。两个磁性亚晶格（
CrA
和
CrB
）通过旋转对称性连接，打破时间反演（
T
）与平移对称性（
t₁/₂
），形成独特的自旋分裂。
2、
图
1b
为磁空间对称性分类。体相
CrSb
具有磁镜面（
M·T
）、滑移镜面（
M·t₁/₂
）和滑移磁镜面（
M·t₁/₂·T
）对称性。这些对称性禁止异常霍尔矢量和净磁化强度，解释了体相
CrSb
无
AHE
的特性。
3、
三种薄膜配置的对称性破缺如图
1c-e
所示。配置
I
（图
1c
）：保留平行膜面的磁镜面，异常霍尔矢量平行膜面不可观测。配置
II
（图
1d
）：保留垂直膜面的磁镜面，
AHE
可观测但需外场辅助翻转。配置
III
（图
1e
）：完全打破广义镜面对称性，兼具
AHE
可观测性和场自由翻转能力。
图
2. CrSb
薄膜的晶体畸变、
AHE
及磁化响应
1、
晶体畸变的定量表征如图
2a-c
所示。通过
X
射线衍射测得晶格参数（如
d₁, d₂, α
）的畸变，证实不同配置下对称性的差异。通过
X
射线衍射测得晶格参数（如
d₁, d₂, α
）的畸变，证实不同配置下对称性的差
异。
2、
图
2d-f
显示了室温
AHE
的稳定性。配置
II
和
III
的
AHE
矫顽力分别达
7 kOe
和
2.8 kOe
，且持续至
400 K
，远超缺陷铁磁贡献（约
50 Oe
）。纵向电阻率无相变特征，表明
AHE
源自尼尔向量翻转而非结构相变。
3、
本工作继续进行了磁化各向异性验证。薄膜磁化强度低于
20 emu/cm³
，且近乎各向同性，进一步排除铁磁杂质的干扰。
图
3.
反铁磁序翻转机制与能量分析
1、
交换耦合转矩的对称性差异如图
3a-b
所示。场辅助模式（配置
II
）中，驱动力对称（
T₁
主导），需外场打破能量势垒不对称性。场自由模式（配置
III
）中，
DM
转矩（
T_DM
）与
T₁
反向叠加，产生不对称驱动力。
2、
本工作发现了能量势垒与驱动力的调控（图
3c-d
）。场辅助模式下，外磁场通过
Zeeman
耦合降低特定方向的能量势垒，阈值电流密度（
J_c
）随磁场增强而减小。场自由模式下，
DM
相互作用直接导致驱动力不对称，阈值电流密度（
~56 MA/cm²
）与磁场无关。
3、
本工作进行了第一性原理计算的验证。尼尔向量易轴始终沿
[0001]
方向，证实磁序重构仅由晶体对称性变化驱动，而非易轴旋转。
图
4.
电流驱动磁序翻转的实验验证
1、
图
4a-c
展示了场辅助模式的可控性。翻转极性由外场方向决定，
J_c
从
54 MA/cm²
（
0.5 kOe
）降至
39 MA/cm²
（
2 kOe
），效率（
μ₀H/J_c
）达
0.0197 T·cm²/MA
。电流方向平行于
[0001]
时，
AHE
响应最强，符合理论预测的
p
⊥
n
条件。
2、
场自由模式的高效性如图
4d-f
所示。零外场下实现
100%
翻转效率，阈值电流密度稳定在
56 MA/cm²
，效率达
0.0133 T·cm²/MA
。电流方向沿
[1120]
时响应最强，显示晶体学依赖的驱动特性。
3、
最后本工作进行了材料普适性展望。类似机制可推广至其他反铁磁候选材料（如
RuO₂
、
MnTe
），为多功能自旋电子器件设计提供通用框架。
本文通过晶体对称性调控，在
CrSb
薄膜中实现了反铁磁序的重构、室温
AHE
的观测及高效磁序翻转，为反铁磁的基础研究与器件应用开辟了新方向。未来研究可进一步探索：
-
晶体对称性与拓扑磁序的耦合，如斯格明子或磁畴壁动力学。
-
低功耗场自由器件的优化，通过界面工程降低阈值电流密度。
-
多物理场调控，结合应变、电场与光场实现多维磁序操控。
这一成果不仅推动了反铁磁物理的发展，更为高密度存储、太赫兹通信和自旋量子计算提供了关键材料平台。
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