科学家发现新的“霍尔效应”，可能彻底改变电子学

科学家们在非共线反铁磁体中发现了一种由自旋电流驱动的新霍尔效应，为更高效、更有弹性的自旋电子器件提供了一条途径。

由科罗拉多州立大学研究生卢克·沃纳特和副教授陈华（音译）领导的一个研究小组发现了一种以前未知的霍尔效应，可以导致更节能的电子设备。

他们的研究发表在《物理评论快报》上，是与约翰霍普金斯大学的研究生Bastián Pradenas和教授Oleg Tchernyshyov合作进行的。研究人员在一类被称为非共线反铁磁体的复杂磁性材料中发现了一种新特性的证据，这种特性被称为“霍尔质量”。

传统的霍尔效应是由约翰霍普金斯大学的埃德温·霍尔于1879年发现的，它描述了电流在受到外部磁场作用时如何偏转，从而产生可测量的电压。这种效应在汽车速度传感器和智能手机运动探测器等技术中起着至关重要的作用。

但在科罗拉多州立大学的研究中，电子的自旋（角动量的一种微小的固有形式）取代电荷占据了中心位置。非共线反铁磁体，不像我们熟悉的自旋平行或反平行的磁体，有不同方向的自旋，但总和仍然为零净磁化。这种独特的自旋纹理使霍尔效应有了新的表现，自旋电流可以以直角流动，而不仅仅是电荷。

自旋电流和霍尔质量的作用

“想象一下，把一个自旋电流往一个方向推，让另一个自旋电流往另一个方向推，”沃纳特解释说。“这就是霍尔效应的标志。”这种由“霍尔质量”控制的新效应之所以只出现在非共线反铁磁体中，是因为它们有三个自由度来描述自旋方向。

这种额外的复杂性导致了自旋波的三个分支（自旋的集体振动），其中两个分支在驱动力的作用下自然地向侧面流动。

在实验上，研究人员可以通过将来自传统铁磁体的自旋波注入到非共线反铁磁体中并检测沿边缘的自旋积累，或者通过使用散射技术（如中子或X射线）来跟踪低能自旋波谱来测量霍尔质量。

对自旋电子学和未来技术的启示

由于自旋电流产生的热量比电流少得多，利用它们可以彻底改变现代电子学。这一前景奠定了快速发展的“自旋电子学”领域的基础，该领域致力于构建诸如基于磁的存储（磁阻随机存取存储器，MRAM）之类的设备，这些设备更节能，并且能够抵抗外部磁场对数据的破坏。

在传统磁性材料中，杂散磁场有时会摧毁存储的信息；相比之下，非共线反铁磁体对这种干扰的影响要小得多，这使得它们在数据存储和处理方面更安全。总之，这种新的霍尔效应及其相关霍尔质量的发现为凝聚态物理学开辟了一个令人兴奋的方向，并可能指导下一代自旋驱动技术的发展。

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