6163银河线路检测中心黄华卿课题组与合作者提出了利用本征非线性霍尔效应来检测二维反铁磁体中奈尔矢量的有效方法，并通过计算发现二维锰硫族化物MnX (X = S, Se, Te) 的非线性霍尔电导率可以达到nm·mA/V²量级，为二维反铁磁自旋电子学器件应用提供了可行的读取方案和潜在的材料平台。相关成果于2023年7月31日以“二维反铁磁自旋电子学中奈尔矢量的本征非线性霍尔检测” (Intrinsic Nonlinear Hall Detection of the Néel Vector for Two-Dimensional Antiferromagnetic Spintronics) 为题，在线发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

近年来，反铁磁性和二维材料在自旋电子学应用中各自独特的优势激发了人们对二维反铁磁自旋电子学的探索。 一方面，反铁磁体在自旋电子学中具有更快的动力学、零杂散场和对磁扰动不敏感等优点。另一方面，二维材料不仅有望将自旋电子器件推向二维极限，从而减小器件的尺寸和功耗，而且由于其特殊的自旋-动量依赖性质，使得对新自旋电子学现象的探索成为可能。

作为反铁磁自旋电子学中的状态变量，奈尔矢量的操控和检测是反铁磁自旋电子学器件信号写入和读取的关键。近期的实验已经报道了奈尔矢量的稳健高速操纵，例如通过电流产生自旋轨道矩进行超快90°切换，以及通过翻转写入电流的极性进行可重复的180°反转。然而，由于缺乏净磁化强度，传统磁性测量技术无法进行奈尔矢量检测，这给反铁磁自旋电子学的实际应用带来了重大挑战。尽管最近的研究发现奈尔矢量的反转可以通过二阶磁阻效应进行电学区分。但由于读出速度和尺寸可扩展性通常与响应信号的幅度成正比，而该信号幅度可能会在二维极限下显著减小，这使得二维反铁磁体的奈尔矢量检测仍具有挑战性。

近日，6163银河线路检测中心理论物理研究所黄华卿课题组与合作者发现本征非线性霍尔效应可以作为二维反铁磁体中奈尔矢量的有效探测手段，该效应表现出实验可测量的显著信号。以二维锰硫族化物MnX (X = S, Se, Te) 为例（如图1），研究团队预测其本征非线性霍尔电导率可以达到nm·mA/V²量级，比典型的反铁磁自旋电子学材料的实验测量值大2个数量级。这一本征非线性霍尔效应可以通过实验可行范围内的门电压调控及电荷掺杂改变化学势来精确控制。此外，研究团队基于有效的 k·p模型阐明了本征非线性霍尔电导率对奈尔矢量取向的2π周期依赖性（如图2）。上述发现为基于二维反铁磁体的自旋电子学存储器件应用提供了灵活的设计方案和富有前景的材料平台。

图1 MnS原子构型和电子结构。(a, b) 单层MnS 奈尔矢量   和 的俯视图和侧视图。(c) MnS 的能带结构。

图2 MnS的本征非线性霍尔电导率。随着化学势μ变化的 (a)     的 和 (b) 的。(c),(d) 当N在x-y平面内旋转时 (c) μ = -8 meV 和 (d) μ = -795 meV 处的 和 。

6163银河线路检测中心博士后王吉章和清华大学物理系博士生曾晖为该论文共同第一作者，黄华卿助理教授为通讯作者。该工作同时得到了清华大学物理系段文晖教授的指导。上述研究成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、6163银河线路检测中心高能物理研究中心、量子物质科学协同创新中心、6163银河线路检测中心高性能计算平台等支持。

论文原文链接：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.056401