科學家們在非共線反鐵磁體中發現了一種由自旋電流驅動的新霍爾效應，為更高效、更有彈性的自旋電子器件提供了一條途徑。

由科羅拉多州立大學研究生盧克·沃納特和副教授陳華（音譯）領導的一個研究小組發現了一種以前未知的霍爾效應，可以導致更節能的電子設備。

他們的研究發表在《物理評論快報》上，是與約翰霍普金斯大學的研究生Bastián Pradenas和教授Oleg Tchernyshyov合作進行的。研究人員在一類被稱為非共線反鐵磁體的複雜磁性材料中發現了一種新特性的證據，這種特性被稱為“霍爾品質”。

傳統的霍爾效應是由約翰霍普金斯大學的埃德溫·霍爾於1879年發現的，它描述了電流在受到外部磁場作用時如何偏轉，從而產生可測量的電壓。這種效應在汽車速度感測器和智慧手機運動探測器等技術中起著至關重要的作用。

但在科羅拉多州立大學的研究中，電子的自旋（角動量的一種微小的固有形式）取代電荷佔據了中心位置。非共線反鐵磁體，不像我們熟悉的自旋平行或反平行的磁體，有不同方向的自旋，但總和仍然為零凈磁化。這種獨特的自旋紋理使霍爾效應有了新的表現，自旋電流可以以直角流動，而不僅僅是電荷。

自旋電流和霍爾品質的作用

“想像一下，把一個自旋電流往一個方向推，讓另一個自旋電流往另一個方向推，”沃納特解釋說。“這就是霍爾效應的標誌。”這種由“霍爾品質”控制的新效應之所以只出現在非共線反鐵磁體中，是因為它們有三個自由度來描述自旋方向。

這種額外的複雜性導致了自旋波的三個分支（自旋的集體振動），其中兩個分支在驅動力的作用下自然地向側面流動。

在實驗上，研究人員可以通過將來自傳統鐵磁體的自旋波注入到非共線反鐵磁體中並檢測沿邊緣的自旋積累，或者通過使用散射技術（如中子或X射線）來跟蹤低能自旋波譜來測量霍爾品質。

對自旋電子學和未來技術的啟示

由於自旋電流產生的熱量比電流少得多，利用它們可以徹底改變現代電子學。這一前景奠定了快速發展的“自旋電子學”領域的基礎，該領域致力於構建諸如基於磁的存儲（磁阻隨機存取記憶體，MRAM）之類的設備，這些設備更節能，並且能夠抵抗外部磁場對數據的破壞。

在傳統磁性材料中，雜散磁場有時會摧毀儲存的資訊；相比之下，非共線反鐵磁體對這種干擾的影響要小得多，這使得它們在數據存儲和處理方面更安全。總之，這種新的霍爾效應及其相關霍爾質量的發現為凝聚態物理學開闢了一個令人興奮的方向，並可能指導下一代自旋驅動技術的發展。