准二维反铁磁体Co1/3NbS2中反常霍尔输运与磁翻转机制的解构研究

北京大学团队针对非共线反铁磁体中反常霍尔效应(AHE)的物理起源争议，通过热电势测量和反射磁圆二色性(RMCD)技术，揭示了Co1/3NbS2的本征k空间贝里曲率起源，首次实现非共线磁畴可视化，并阐明体材料与二维薄片截然不同的磁翻转机制，为二维非共线反铁磁自旋电子学器件开发奠定理论基础。

　　

在自旋电子学领域，非共线反铁磁体因其零净磁矩却展现反常霍尔效应(AHE)的特性，成为替代传统铁磁体的革命性材料。这类材料中，准二维层状化合物Co_1/3NbS₂尤为特殊——其AHE值接近量子化电导e²/h每层，但关于其磁结构是共线单q态还是非共线多q态、AHE源于实空间还是k空间贝里曲率的争论持续十余年。更棘手的是，体材料与二维薄片表现出的巨大矫顽场差异缺乏合理解释，这些问题严重阻碍了该材料在超紧凑自旋器件中的应用。

北京大学物理学院叶堉团队联合多个研究组，通过创新性地结合热电势测量与反射磁圆二色性(RMCD)技术，首次在实验上确认了Co_1/3NbS₂中AHE的本征k空间拓扑起源，并揭示了其独特的磁翻转机制。这项突破性成果发表于《Nature Communications》，为二维非共线反铁磁体的基础研究和器件开发提供了全新范式。

研究团队采用化学气相传输法(CVT)制备单晶，通过机械剥离获得纳米薄片。关键实验技术包括：1) 14T强磁场下的纵向/横向热电系数测量系统；2) 9T低温RMCD成像系统(空间分辨率1.5μm)；3) 角分辨输运测量装置；4) 超薄样品原子力显微镜(AFM)厚度校准。特别值得注意的是，团队开发了温度梯度校准新方法，通过四探针电阻测温实现μV级微弱Nernst信号的精确检测。

反常霍尔效应的拓扑起源
通过分析30-2K温区的ρ_xx与ρ_xy温度依赖关系，发现反常霍尔电阻ρ_xy^A在磁有序态形成后持续增长，与ρ_xx的单调下降形成鲜明对比。基于修正的Mott关系拟合得到指数n=2.22，证明σ_xy^A∝τ⁰，符合k空间贝里曲率机制特征。通过载流子迁移率(5 cm²/V·s)估算的临界实空间拓扑尺度λ_sk^*≈1.5 nm，远大于原子级磁结构周期(0.6 nm)，从另一角度排除了实空间机制主导的可能性。

磁畴可视化突破
利用RMCD技术在125 nm薄片中观测到-0.12%的显著信号，该值堪比二维铁磁材料但对应净磁矩仅其1/1000。零场冷却(ZFC)下观察到±0.4%信号波动的μm级磁畴，而±6T场冷却后呈现均匀单畴态。值得注意的是，这种磁光信号与净磁化强度解耦——在姐妹化合物Co_1/3TaS₂中，具有更大磁矩的相变态反而无RMCD响应，证实信号源自贝里曲率诱导的横向光学电导。

维度依赖的磁翻转机制
角分辨输运测量发现，体材料与二维薄片的矫顽场H_c均符合1/cosθ规律，符合Kondorsky模型。但体材料反转表现为陡峭的初始台阶(s^H≈0)，反映体核快速成核传播机制；而薄片呈现渐进式反转(s^H∝1/cosθ)，表明表面磁畴受强钉扎效应支配。训练效应进一步验证该机制：体材料在第二次扫描即消失交换偏置，而薄片需6次循环才降低28%的H_c，且可通过升温至T_N以上重置。

这项研究建立了Co_1/3NbS₂磁电性质的全景图像：k空间贝里曲率主导其AHE与反常Nernst效应(ANE)，非共线磁畴结构可通过RMCD直接成像，而维度调控的磁翻转机制源于体核与表面畴的动力学差异。这些发现不仅解决了长期存在的物理争议，更为设计全反铁磁二维自旋阀、自旋轨道矩器件提供了关键理论支撑。特别地，研究中发展的RMCD磁畴成像技术，为其他非共线反铁磁体系的表征开辟了新途径。