可控的磁各向异性分岔转变与双向反铁磁序的实现 | 进展

反铁磁材料因其独特的自旋动力学特性（如无杂散场、抗磁干扰、超快响应等），在下一代自旋电子器件的应用中具有巨大潜力。特别是在笼目（kagome）结构材料中，反铁磁序与独特的晶格几何阻挫特性相结合，展现出一系列引人注目的物理现象，例如反常霍尔效应、拓扑霍尔效应以及自旋密度波等。与铁磁系统相比，反铁磁系统中磁各向异性的有效调控是个极具挑战性的难题。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心高鸿钧研究员带领的联合研究团队，对新型笼目金属GdTi3Bi4开展了系统性深入研究。通过极低温磁力显微术与矢量磁场调控技术，他们首次实现了温度诱导的磁各向异性轴可控分岔转变，并揭示了由此产生的双向反铁磁序及其调控机制。其主要创新性工作包括：1. 实现了温度调控的磁各向异性轴分岔转变，发现了在约2K处，材料的易磁化轴从高对称性的a轴分岔为两个偏离a轴±7°的特定方向，同时伴随双向反铁磁畴的形成。2. 发展了基于矢量磁场的双向反铁磁序探测与操控方法，实现了面内反铁磁畴取向的可控切换，揭示了面内反铁磁畴的调控机制是矢量磁场改变各向异性轴之间的能量竞争关系。3. 构建了GdTi3Bi4材料的温度-磁场相图，揭示了磁畴演化规律及相界演化特征。

该项研究首次在kagome反铁磁体中实现了磁各向异性轴的可控分岔及伴随的双向反铁磁序，并建立了有效的调控手段。该研究成果深化了对反铁磁材料中磁各向异性与磁序耦合机制的理解。更为重要的是，他们通过操控磁各向异性分岔行为实现对反铁磁序的精确控制，为开发基于反铁磁材料的新型、高性能信息存储和逻辑器件提供了新原理并奠定实验基础。

相关研究成果以“Tunable bifurcation of magnetic anisotropy and bi-oriented antiferromagnetic order in kagome metal GdTi3Bi4”为题，发表于2025年6月5日的Physical Review Letters上。物理所郭剑锋（博士后）、朱诗雨（副研究员）、博士生周润农和王汝文为共同第一作者；朱诗雨副研究员、杨海涛研究员、复旦大学肖江教授和高鸿钧研究员为共同通讯作者。物理所博士王汝文和杨海涛研究员提供了高质量GdTi3Bi4单晶，复旦大学肖江教授进行了理论计算与模拟，物理所程金光研究员和董晓丽研究员的团队参与了该项研究工作。该项目得到了国家自然科学基金、科技部、北京市科委和中国科学院等支持。

图. (a) “量子交通灯”调控磁各向异性；(b) 矢量场调控与相图；(c) 磁性分岔转变原理及其伴随产生的双向反铁磁畴结构。

编辑：亦山