反鐵磁性體Mn3Ge的霍爾效應(yīng)概念圖
（該圖摘自東京大學(xué)的發(fā)布資料） （點(diǎn)擊放大）
Mn3Ge的晶體構(gòu)造和磁場中的磁構(gòu)造
（a）具有z=0面和z=1/2面兩個(gè)層的竹籃孔方格構(gòu)造。（b）施加B//［2110］磁場時(shí)的Mn自旋電子磁構(gòu)造。（c）施加B//［0110］磁場時(shí)的磁構(gòu)造（該圖摘自東京大學(xué)的發(fā)布資料） （點(diǎn)擊放大）
因磁場變化而產(chǎn)生的反?；魻栃?yīng)和磁化
（a）在0磁場下霍爾效應(yīng)也會殘留，因此可顯示出反?；魻栃?yīng)。（b）100G磁化時(shí)，在自旋反轉(zhuǎn)的同時(shí)，出現(xiàn)了巨大的異常霍爾效應(yīng)（該圖摘自東京大學(xué)的發(fā)布資料） （點(diǎn)擊放大）
研究小組2015年于全球首次發(fā)現(xiàn)了自發(fā)性地顯示出巨大反?；魻栃?yīng)的反鐵磁性物質(zhì)“Mn3Sn”。此次，通過對相關(guān)物質(zhì)進(jìn)行一系列的探索，發(fā)現(xiàn)把Sn換成Ge的錳鍺化合物“Mn3Ge”在5K低溫下顯示出400Ω-1cm-1的霍爾傳導(dǎo)率，這是Mn3Sn顯示出的最大值的4倍以上。
Mn3Ge具有被稱作“Kagome格子”的晶體構(gòu)造，錳原子及其自旋原子配置在等邊三角形的頂點(diǎn)位置。此時(shí)，如果相鄰的自旋電子指向相反方向、效果相互抵消的力（反鐵磁相互作用）發(fā)揮作用，三角形的三個(gè)頂點(diǎn)之間就會在力量上勢均力敵，最后會以相互傾斜120度的狀態(tài)穩(wěn)定下來。
研究發(fā)現(xiàn)，從外部對這種狀態(tài)施加磁場時(shí)，每個(gè)錳元素發(fā)生了數(shù)毫μB的磁化。雖然這種磁化非常小，只有普通鐵磁體的千分之一左右，但在幾百高斯的較小磁場作用下發(fā)生了反磁化，霍爾電壓符號也隨之發(fā)生反轉(zhuǎn)。研究小組此次還發(fā)現(xiàn)，Mn3Ge的這種自發(fā)性反?；魻栃?yīng)可在-270℃至其尼爾點(diǎn)（反鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘臏囟龋簿褪?20℃之間的廣泛溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。
以往的鐵磁性體材料存儲元件會受到漏磁場的影響，如果使用反鐵磁性體，可使自旋電子一致朝著相反方向，自旋電子總體上幾乎不會產(chǎn)生漏磁場，因此可以實(shí)現(xiàn)高集成化。而且，反鐵磁性體一般還能顯示出速度比鐵磁性體快3位數(shù)以上的工作性能。另外，還能以比較簡單的方法進(jìn)行物質(zhì)合成，用克拉克值高、廉價(jià)且沒有毒性的元素構(gòu)成，因此是一種具備出色特性的實(shí)用材料。今后，以實(shí)用化為目標(biāo)的研發(fā)有望取得進(jìn)展。
此次的研究成果預(yù)定于2016年6月9日刊登在美國科學(xué)期刊《Physical Review Applied》網(wǎng)絡(luò)版上。（特約撰稿人：工藤 宗介）
