室温巡游螺旋磁体 Fe3Ga4中涨落驱动的拓扑霍尔效应：开启磁性材料研究新方向

拓扑霍尔效应（THE）的研究意义重大，却面临单 k 磁结构下相关难题。研究人员以 Fe3Ga4为对象，发现其在室温下有非平凡磁相，THE 由手性磁振子的涨落驱动。该成果为探寻新型拓扑磁性和输运特性材料提供新视角。

　　在凝聚态物理领域，量子材料因其独特的拓扑性质备受关注，在超低功耗电子器件方面有着巨大的应用潜力。拓扑霍尔效应（THE）作为磁性金属中一种特殊的几何自旋排列的标志，源于有限的标量自旋手性（SSC），它与电子的贝里相位密切相关，在新型材料的探索中占据重要地位。然而，对于单 k 磁结构且零 SSC 的情况，有限拓扑霍尔信号的出现成为了一个概念性的挑战，这也促使科研人员不断探索新的机制和材料来解释这一现象。

为了解决这一难题，来自多个研究机构的研究人员开展了相关研究，其中包括东京大学（The University of Tokyo）、瑞士保罗谢勒研究所（PSI Center for Neutron and Muon Sciences）、洛桑联邦理工学院（école Polytechnique Fédérale de Lausanne）等。他们将目光聚焦于一种低对称性化合物 —— 单斜晶系的 Fe₃Ga₄ ，致力于探究其在拓扑霍尔效应方面的特性。

研究人员通过一系列的实验研究，得出了重要结论。他们发现 Fe₃Ga₄具有复杂的磁相图，在零场下的 Phase III 呈现出非共面磁序，且该磁序为螺旋状，存在手性畴且分布不均，这表明存在净自旋手性。当施加磁场时，Fe₃Ga₄会发生相转变，从 Phase III 转变为 Phase IV 再到 Phase II ，伴随着磁矩重取向和调制方式的改变。更为关键的是，他们证实了 Fe₃Ga₄中观测到的 THE 源于外加磁场下手性磁振子的不平衡激发，是一种动态起源的 SSC ，并且拓扑霍尔电阻率（ρ_THE）与温度呈线性关系。这些发现为理解拓扑霍尔效应提供了新的视角，也为开发具有拓扑磁性和输运特性的新型材料开辟了新途径，在自旋电子学等领域具有潜在的应用价值。该研究成果发表在《Nature Communications》上。

在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用化学气相传输法生长 Fe₃Ga₄单晶。在结构和磁性表征上，利用单晶 X 射线衍射技术验证晶体质量和结构；通过磁强计测量磁化强度和磁化率，确定磁相转变温度；运用电输运测量获取纵向电阻率和霍尔电阻率数据。此外，还借助中子散射技术，包括单晶中子衍射（SND）、小角中子散射（SANS）和球形中子极化测量（SNP），深入研究磁结构和自旋排列。

下面详细介绍研究结果：

• Fe₃Ga₄的晶体结构和复杂磁相图：Fe₃Ga₄结晶为具有单斜晶胞（C2/m）的中心对称结构，其内部存在复杂的 Fe - 位点网络，可分为沿 c 轴堆叠的 Fe - 板。通过磁化强度和交流磁化率测量，研究人员识别出多个磁相，发现 Fe₃Ga₄在约 720K 时发生磁有序，随后在降温过程中出现多次磁转变，分别对应不同的磁相。
• 零场下 Phase III 的非共面磁序：此前在 68K < T < 360K 的外加磁场中检测到 THE 信号，对应 Phase IV ，研究人员由此探讨零场下相同温度范围内 Phase III 的磁序本质。通过测量磁化各向异性、进行单晶中子衍射和 SNP 实验，确定 Phase III 为螺旋磁序，且手性畴分布不均，存在净自旋手性，磁矩主要位于 ab 平面。
• Fe₃Ga₄的磁场诱导效应：测量等温磁化强度和磁化率发现，沿 b 轴施加磁场会使 Fe₃Ga₄发生两次相转变。中子衍射结果表明，Phase IV 中特定反射的强度变化与磁矩重取向相关，且磁有序的传播矢量在磁场作用下发生显著变化。通过对比横向电阻率数据和等温磁化强度数据，证实了有限拓扑霍尔电阻率的存在，且其在高温下与温度呈线性增加关系。

在研究结论和讨论部分，研究人员通过对 Fe₃Ga₄的深入研究，揭示了其高温和低温磁相的关键细节，推测出系统交换哈密顿量的主要成分，并明确了 Phase IV 中 THE 的起源。他们发现 Phase III 的传播矢量具有两个非公度分量，理论计算与实验结果存在一定差异，这可能与结构变化等因素有关。此外，SNP 实验结果证明了 Phase III 的非公度磁序是手性的，且手性畴分布不平衡，这可能与应变或无序有关。同时，磁场诱导的 Phase III 到 Phase IV 的转变中，传播矢量的变化显著，这表明可能存在各向异性交换相互作用。而 Fe₃Ga₄中观测到的 THE 符合基于涨落的机制，且 ρ_THE在 Phase V 中达到最大值，暗示了可能存在非平凡的自旋构型。由于 Fe₃Ga₄属于可高度调节的 Fe - Ga 合金家族，该研究成果为室温下的新兴电磁感应、单轴应变工程和动态贝里相位调谐等应用提供了广阔的前景 。

综上所述，这项研究在拓扑霍尔效应的研究领域取得了重要突破，不仅解决了单 k 磁结构下拓扑霍尔信号出现的难题，还为新型磁性材料的开发提供了理论依据和实践指导，对推动凝聚态物理和自旋电子学等相关领域的发展具有重要意义。