對非平凡帶拓撲產生的現象進行電子操縱是利用拓撲保護開發下一代技術的關鍵。Weyl半金屬是一個三維無間隙的體系，它容納Weyl費米子作為低能準粒子。它由於具有拓撲保護的Weyl節點具有強健的各種奇異的性質，如大的反常霍爾效應(AHE)和手性異常。為了控制這種現象，一種磁性的Weyl半金屬將有助於控制Weyl節點在布里淵區裡的位置。此外，反鐵磁Weyl金屬的電操縱將有助於利用反鐵磁自旋電子學實現高密度器件的超快操作。
然而，Weyl金屬的電學控制還沒有被報道過。近日，日本東京大學等研究者證明了拓撲反鐵磁態的電學開關及其在室溫下由AHE在反鐵磁Weyl金屬Mn3Sn多晶薄膜中的檢測，該薄膜具有零場的AHE。相關論文以題為“Electrical manipulation of a topological antiferromagnetic state”於04月20日發表在Nature上。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2211-2
近年來，凝聚態物理學的廣泛研究，揭示了電子能帶結構中具有非平凡拓撲結構的各種新型量子相。這種拓撲系統的典型例子就是Weyl半金屬。兩個非簡併帶在一對動量點處線性接觸，形成了具有不同手性的無間隙Weyl費米子，這種狀態打破了時間反演對稱(TRS)或鏡面對稱。這些接觸點或Weyl節點作為底層Berry曲率單元強度(反)磁單極子的拓撲保護，從而湧現出各種現象，如大的AHE、反常能斯特效應(ANE)、手性異常和光學陀螺性。
為了利用拓撲狀態發展科學和技術，關鍵的下一步是用電來操縱這些湧現的現象。在Weyl半金屬中，這種操作可以通過在布里淵區中移動Weyl點來實現。TRS-破缺或磁性Weyl半金屬由於其磁性結構適合於此用途。此外，反鐵磁體(AFMs)作為新一代自旋電子學器件的活性材料，具有比鐵磁材料更高的存儲密度和更快的運行速度，近年來受到了廣泛的關注。然而，還沒有關於反鐵磁或鐵磁Weyl半金屬的電操縱的報道。
隨著研究者對電子結構拓撲方面理解的進步，在自旋液體和手性AFMs Mn3X(X = Sn, Ge, Ga, Ir, Pt, Rh)等非鐵磁體系中發現了AHE。這一發現表明，在沒有磁化M的情況下，AFMs可能會表現出較大的橫向響應，比如AHE和ANE，這是由動量空間的Berry曲率引起的。尤其是，理論研究和單晶實驗表明，Mn3Sn含有磁性的Weyl費米子。大型拓撲響應，如AHE和ANE，與Weyl節點的拓撲保護有關，對無序、雜質和熱波動具有很強的抵抗能力；例如，它們的錳濃度範圍很廣，甚至出現在多晶薄膜中，為未來的應用鋪平了道路。
此文中，研究者通過AHE的檢測，演示了拓撲反鐵磁態在Mn3Sn多晶薄膜中的電開關。利用由Mn3Sn和非磁性金屬組成的雙層器件，研究發現，當電流密度為每平方米1010到1011安培時，非磁性金屬會發生磁開關，霍爾電壓會發生較大的變化。另外，電流沿偏置場的極性和非磁性金屬的自旋霍爾角的符號，Pt為正，Cu接近0，W為負——這些決定了霍爾電壓的符號。值得注意的是，反鐵磁體中的電開關是通過與鐵磁金屬相同的協議實現的。
圖1 拓撲Weyl AFM Mn3Sn和雙層設備佈局
圖2 Mn3Sn器件中SOT誘導的磁開關。
圖3 可重構的反鐵磁性的切換。
圖4 非共線自旋織構的SOT機制與電開關
該研究成果將為拓撲磁和反鐵磁自旋電子學的進一步發展提供科學依據。（文：水生）
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