科學島低功耗量子材料研究團隊與合作者揭示磁性外爾半金屬中局域磁態(tài)引起的不對稱磁滯回線

近期，中國科學院合肥物質(zhì)院強磁場中心低功耗量子材料研究團隊屈哲研究員、曾慶祺博士與中國科學院物理研究所磁學國家重點實驗室劉恩克研究員合作，在籠目晶格磁性外爾半金屬Co3Sn2S2中揭示了類似交換偏置效應的等溫可調(diào)不對稱磁化行為，為調(diào)控這一磁性外爾體系的磁化翻轉提供了新的路徑，該成果發(fā)表在國際知名期刊Materials Today Physics上。

磁性外爾材料的磁性特性保證了體系時間反演對稱性的破缺，通過改變溫度、磁場、電場等條件來調(diào)控其磁化狀態(tài)，從而觀察到拓撲物理性質(zhì)的響應。其中，Co3Sn2S2不僅具有硬磁性，還展現(xiàn)出由貝利曲率主導的拓撲輸運物性，這種結合自旋電子學和拓撲物理的特性，為開發(fā)新一代磁性拓撲器件提供了重要基礎。在磁存儲、自旋器件中，交換偏置效應起著增強穩(wěn)定性、防止外界干擾等重要作用。此前的研究已在Co3Sn2S2體系中觀察到類交換偏置的現(xiàn)象[Nat. Commun.11, 560 (2020), Phys. Rev. B105, 144423 (2022)]，但其演化規(guī)律和起源還不清楚。

研究團隊通過測量Co3Sn2S2在不同磁化歷史下的霍爾回線和磁滯回線，在該體系中實現(xiàn)了偏置符號、大小等溫反復可調(diào)的不對稱磁化行為 [圖1(a–d)]，而當施加的外磁場足夠高時，正負矯頑力變得對稱，偏置現(xiàn)象消失 [圖1(e)]。進一步分析表明，這種不對稱磁滯回線的根源在于Co3Sn2S2體系中存在具有數(shù)特斯拉翻轉臨界場的硬磁性微觀磁態(tài)，當測量中施加的最高外磁場低于翻轉臨界場時，磁態(tài)保持原有取向，對磁化翻轉的單向作用主導了回線單側較低的矯頑力 [圖1(f)]，呈現(xiàn)出可調(diào)的類交換偏置的行為；而當外加磁場高于翻轉臨界場時，磁態(tài)被取向到外場方向，不再影響下一次反磁化過程，類交換偏置行為消失，回線變得對稱。

這一結果揭示了Co3Sn2S2中類交換偏置行為具有與傳統(tǒng)交換偏置行為截然不同的機制，這不僅加深了我們對Co3Sn2S2這一典型磁性外爾材料磁性的理解，還為調(diào)控磁化翻轉、進而調(diào)控拓撲輸運物性提供了新的思路。

圖1 (a–d) 5 K等溫可調(diào)的不對稱霍爾回線（插圖示意加場過程）；(e) 足夠高的外加磁場下回線對稱，正負矯頑力達最大值；(f) 微觀局域磁態(tài)對磁化翻轉的影響示意圖。