自旋极化的反铁磁金属

《Annual Review of Condensed Matter Physics》：Spin-Polarized Antiferromagnetic Metals

自旋极化反铁磁金属通过破坏时空对称性实现自旋分裂能带，为新型自旋电子器件提供可能。研究聚焦三类材料：斜反铁磁（如GdPtBi）、非共线反铁磁（如Mn3Ir）和交替反铁磁（如RuO2）。这些材料因能带自旋极化和拓扑非对称性，展现出线性磁输运（如反常霍尔效应）、非线性磁输运（如单向磁阻）及自旋电流调控特性。实验证实非共线材料Mn3Pt可实现室温全反铁磁隧穿结，交替反铁磁RuO2产生大角度反常霍尔效应，且自旋扭矩可驱动相邻铁磁体磁矩。未来方向包括超导关联、二维异质结整合及新型自旋扭矩应用探索。

　　近年来，科学家们对具有自旋极化的反铁磁材料产生了浓厚的兴趣，因为这类材料结合了铁磁材料（自旋极化）和反铁磁材料（无净磁化）的优势，为自旋电子学领域带来了新的机遇。在自旋电子学中，自旋与电荷自由度之间的耦合可以用于非易失性、低能耗的数据存储应用。然而，传统的铁磁材料由于其净磁化特性，在可扩展性方面存在局限，这促使研究者开始关注反铁磁材料作为自旋电子学材料的潜力。特别是，自旋极化的反铁磁金属因其高电导率和热导率，以及其能够支持电荷传输与磁自旋结构之间强相互作用的特性，成为重要的研究对象。

自旋极化的反铁磁金属可以被分为三种主要类型：倾斜反铁磁体（canted antiferromagnets）、非共线反铁磁体（noncollinear antiferromagnets）和共线反铁磁体（collinear antiferromagnets）。这些材料的磁结构与自旋极化特性之间存在复杂的相互作用，这使得它们在自旋电子学中具有独特的应用前景。例如，倾斜反铁磁体通过磁矩的倾斜或偏转来打破对称性，从而产生自旋极化的能带结构。这种结构使得这些材料在自旋输运现象上表现出非同寻常的特性，如自旋霍尔效应（AHE）和非线性自旋输运效应。而非共线反铁磁体则由于其磁矩在空间中的非共线排列，能够产生依赖于动量空间的自旋极化，这种特性为研究自旋纹理的拓扑性质提供了新的途径。共线反铁磁体，如RuO?，由于其晶体结构的交替特性，可以产生具有各向异性自旋极化的能带结构，这种特性不仅促进了自旋霍尔效应的出现，还为自旋电流的生成和自旋力矩的调控提供了新的材料平台。

自旋极化反铁磁体在自旋电子学中的应用潜力源于其独特的自旋纹理与电荷输运之间的耦合。这种耦合使得自旋极化的反铁磁体能够支持多种新型的自旋输运现象，如自旋霍尔效应、非线性自旋输运效应和自旋电流的产生。此外，这些材料的自旋极化特性还能够通过自旋霍尔效应、自旋力矩等手段实现对磁序的调控。例如，在非共线反铁磁体Mn?Sn中，自旋霍尔效应被观察到，其自旋电流的方向与晶体取向相关，并且自旋极化方向与Néel矢量保持一致。在共线反铁磁体RuO?中，自旋霍尔效应的观测不仅揭示了其自旋纹理的特性，还展示了自旋电流在动量空间中的各向异性。

自旋极化反铁磁体的这些特性使其在自旋电子学中具有独特的应用价值。例如，自旋霍尔效应可以用于生成纯自旋电流，而自旋力矩则可以用于调控磁矩的排列。在自旋极化反铁磁体中，通过自旋霍尔效应产生的自旋电流能够影响相邻铁磁材料的磁矩排列，从而实现自旋力矩的调控。这种调控能力在自旋电子学器件中具有重要的应用价值，如自旋存储器和自旋振荡器等。

在自旋电子学领域，自旋极化反铁磁体的研究还处于早期阶段，但已经显示出巨大的潜力。例如，通过自旋霍尔效应产生的自旋电流可以用于调控反铁磁材料的磁序，而自旋力矩则可以用于实现自旋电流的定向控制。此外，自旋极化反铁磁体还可能在超导与自旋电子学的交叉领域发挥重要作用。例如，非共线反铁磁体Mn?Ge的自旋纹理能够诱导超导体中的长程超电流，这为研究自旋极化反铁磁体在超导系统中的应用提供了新的思路。

随着对自旋极化反铁磁体研究的深入，科学家们也在探索其在二维材料中的应用潜力。例如，自旋极化反铁磁体如VB?S?和CoNb?S?可以与范德华材料结合，以研究自旋、电荷和谷自由度之间的相互作用。这种研究不仅有助于理解自旋极化反铁磁体的基本物理机制，还可能为开发新型自旋电子学器件提供新的思路。

自旋极化反铁磁体的研究仍在不断拓展，其在自旋电子学中的应用潜力远未被完全挖掘。未来的研究方向可能包括探索自旋极化反铁磁体与超导的相互作用，以及开发基于自旋极化反铁磁体的新型自旋电子学器件。这些研究不仅能够揭示自旋极化反铁磁体的物理特性，还可能为自旋电子学技术的发展提供新的材料平台。