在许多材料中 电阻和电压在存在磁场时发生变化

在许多材料中，电阻和电压在存在磁场时发生变化，通常随着磁场的旋转而平滑地变化。这种简单的磁响应是许多应用的基础，包括非接触式电流感应，运动感应和数据存储。在晶体中，电子的电荷和自旋对齐和相互作用的方式是这些效应的基础。利用对齐的性质(称为对称性)是设计电子功能材料和旋转电子(自旋电子学)新兴领域的关键因素。

最近，来自麻省理工学院，法国国家科学研究中心(CNRS)和加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的里昂高等师范学院(ENS)，香港科技大学(HKUST)的研究小组，麻省理工学院物理学助理教授Joseph G. Checkelsky领导的NIST中子研究中心在由铈，铝，锗和硅组成的晶体中发现了一种新型的磁驱动电响应。

在低于5.6开尔文(相当于-449.6华氏度)的温度下，当磁场沿晶体的高对称方向精确对准1度角时，这些晶体显示出电阻率的急剧增强。这种效应，研究人员称之为“奇异角磁阻”，可归因于对称性 - 特别是铈原子磁矩的有序性。他们的研究结果今天发表在“ 科学 ”杂志上。

新颖的反应和对称性

就像一个老式时钟，设计用于在12点钟和手中没有其他位置时，新发现的磁阻仅在磁场的方向或矢量与高对称轴线成直线时发生在材料的晶体结构中。将磁场旋转超过该轴一度，电阻急剧下降。

“而不是像传统材料那样响应磁场的各个组成部分，这里材料对绝对矢量方向作出反应，”Checkelsky集团的研究科学家Takehito Suzuki说，他合成了这些材料并发现了这种效应。“观察到的尖锐增强，我们称之为奇异的角磁阻，意味着只有在这些条件下才能实现的明显状态。”

磁阻是响应于施加的磁场的材料的电阻的变化。一种称为巨磁阻的相关效应是现代计算机硬盘的基础，其发现者被授予2007年诺贝尔奖。

ENS de Lyon的CNRS研究员Lucile Savary补充说：“观察到的增强作用非常局限于沿着晶体轴的磁场，这强烈地表明对称性起着至关重要的作用。” 2014年至17年，Savary是麻省理工学院的Betty和Gordon Moore博士后研究员，当时团队开始合作。

为了阐明对称性的作用，至关重要的是看到磁矩的对齐，为此，NIST研究员铃木和NIST研究员Jeffrey Lynn在NIST中子研究中心对BT-7三轴光谱仪进行了粉末中子衍射研究。 (NCNR)。研究小组利用NCNR的中子衍射能力来确定材料的磁性结构，这对于理解磁畴的拓扑性质和性质起着至关重要的作用。“拓扑状态”是指保护免受普通疾病影响的状态。这是揭示奇异反应机制的关键因素。

基于观察到的排序模式，加州大学圣地亚哥分校Kavli理论物理研究所的教授和常任成员Savary和Leon Balents构建了一个理论模型，其中由磁矩排序引起的自发对称破缺耦合到磁场和拓扑电子结构。作为耦合的结果，可以通过精确控制磁场方向来操纵均匀排序的低电阻率和高电阻率状态之间的切换。

“该模型与实验结果的一致性非常突出，是理解什么是神秘的实验观察的关键，”该论文的资深作者Checkelsky说。

现象普遍存在

“这里有趣的问题是，在磁性材料中是否可以广泛观察到奇异的角磁阻，如果能够普遍观察到这一特征，那么用这种效果设计材料的关键因素是什么，”铃木说。

理论模型表明，奇异响应确实可以在其他材料中找到，并预测有利于实现该特征的材料特性。其中一个重要的成分是具有少量自由电荷的电子结构，其发生在被称为节点的点状电子结构中。本研究中的材料具有所谓的Weyl点。在这种材料中，允许的电子动量取决于磁性顺序的配置。通过磁自由度对这些电荷的动量的这种控制允许系统支持可切换的界面区域，其中动量在不同磁性顺序的域之间不匹配。这种不匹配还导致本研究中观察到的抗性大幅增加。

香港科技大学研究助理教授刘建鹏和人才进行的第一原理电子结构计算进一步支持了这一分析。使用更传统的磁性元素，例如铁或钴，而不是稀土铈，可以提供通向更高温度观察奇异角磁阻效应的潜在途径。该研究还排除了原子排列的变化，称为结构相变，作为铈基材料电阻率变化的原因。

肯尼斯·伯奇，研究生课程主任，波士顿学院，他的实验室调查魏尔材料物理学副教授，指出：“卓越的灵敏度的磁角度的发现是在这个新类的完全出乎意料的现象，材料这一结果表明不仅是新的。 Weyl半金属在磁感应中的应用，但是电子传输，手性和磁性的独特耦合。“ 手性是与其旋转相关的电子的一个方面，使它们具有左手或右手取向。

这种尖锐但狭窄的电阻峰值的发现最终可能被工程师用作磁传感器的新范例。Notes Checkelsky，“关于磁性基本发现的一个令人兴奋的事情是新技术的快速采用的可能性。现在手中的设计原则，我们正在广泛的网络中发现这种现象在更强大的系统中解锁这一潜力“。