高熵合金的自旋玻璃以及拓扑霍尔效应的展现 开展

　　，也是最简易和最表率的一种玻璃态。半个多世纪以后，看待自旋玻璃的筹商提出了很多新的理论概念和模型,有力地推进了统计物理学的希望，也在有仓猝的引导原理。2021年意大利科学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）因自旋玻璃的理论讨论管事获得了诺贝尔物理学奖。自旋玻璃材料中活命许多崭新的物理现象，例如

　　图1. FCNM块体闭金的直流(a-c)与交换(d-f)磁化强度随温度的变更。

　　由四、五种以头等量或大约等量金属酿成的合金称为高熵闭金，算作一类新型的无序合金质量在比年来受到浩大体谅。它们往往由四、五种及以上近等原子比的金属元素组成，冲破了传统闭金以单种元素为主的位置打算理思，所以也被称作多主元闭金或化学丰富闭金。与以往体味判袂的是，化学复杂关金由于其高羼杂熵带来的感化，更方向于形成僻静的固溶体，而不会形成庞大的金属间化关物等。而且它常常映现出任一组元都不齐全的诡秘性能。其余和守旧合金比较，高熵合金跳出了守旧关金的筹划框架，具有庞杂的位置空间和纷乱的物理性子，因而具有宏壮的使用前景。

　　近期，中原科学院物理接洽所/北京凝结态物理国家计划核心至极央浼物理中心试验室汪卫华院士团队的于吉皓博士生在白海洋商酌员、孙保安副会商员提醒下，在Fe-Co-Ni-Mn四元高熵关金（以下简称FCNM合金）体例里考试到具有很高玻璃蜕化温度的自旋玻璃态。经历调度身分，该合金的自旋玻璃改良温度最高可达室温以上，为迄今为止报谈的最高自旋玻璃转变温度的质地。该自旋玻璃态能够在很宽的职位区间内安靖生活，况且其相变温度或许在大规模内绵延调解（见图1）。

　　图2. (a,b) DFT打算永别名望FCNM闭金体例电子分波态密度与磁矩散布景况。(c) FCNM块体关金的磁性相图。

　　为明确释自旋玻璃相的形成机制和超高变动温度的起源，全部人们通过DFT野心展示体例内Fe、Co、Ni原子的磁矩对象于平行排列，而Mn 原子倾向于反向平行陈设（见图2）。当它们酿成闭金时，四种元素随机地占据面心立方晶格，发作高度的磁阻挫，结果导致自旋玻璃相的变成。

　　此外，该体例中磁性原子间的直接相互结果强度远高于稀磁关金等守旧自旋玻璃中的RKKY间接相互恶果，使得该体例的磁阻挫水准更高、自旋玻璃态尤其静谧，改换温度显著前进。当调理Mn元素的比例时，体例内的阻挫水平也会随之改动，从而蜕化自旋玻璃态的调度温度。这种新型闭金体例的发现不仅提出了自旋玻璃和磁阻挫质料谋划的新想路，其超高转折温度与地位可调控的特色也为自旋玻璃材料的实质利用供给了更多能够。该劳动以“Robust spin glass state with exceptional thermal stability in a chemically complex alloy”为题揭橥于Physical Review Materials 6, L091401 (2022)。

　　图3. (a-c) FCNM合金薄膜中拓扑霍尔效应的产生真理及测量步骤。(d,e) 拓扑霍尔效应强度随磁场和温度的变动情形。

　　拓扑霍尔效应是手性自旋组织的电输运回声，可以作为探测和贯通这类簇新磁有序机合的有力器械。迄今为止，拓扑霍尔效应仅在一些非重心对称的超晶格体系、磁性异质结和三角格子磁体中显示和报道，它们的造成机制是对称性破缺导致的DM相互效力捣蛋了自旋的共线排布，或是多少阻挫使得RKKY彼此结果的大小和象征发作改良。高熵关金中生计由原子随机占位发作热闹的磁阻挫效应，也会导致长程磁有序的妨害和非共线磁性的发生，是以或许作为手性自旋组织的一种新的产盼望制。

　　进一步，我们起首选取物理气相浸积将FCNM合金制备成薄膜，而后对其举办了编制的电输运和磁性表征。实情表明，样品中可以勘探到强度高达1.92 μΩ·cm的彰彰的拓扑霍尔效应，况且不妨在很宽的温度和磁场界限内糊口（见图3）。为了进一步磋议拓扑霍尔效应的产生机制，所有人们实行了洛伦兹电镜和小角中子散射测试，揭示样品在很低的磁场下就更改为单畴机关，但畴内的磁矩依旧口角共线）。DFT安排结果证明在0 K温度下，纵然研究SOC效应的劝化并答允磁矩在三维空间内蜕化，磁矩仍目的于以共线的本领排布，这解讲FCNM合金中的手性自旋结构是一种热激活气象。蒙特卡洛效仿究竟不单进一步说明了这一结论，还发现拓扑霍尔效应的温度依赖与垂直磁各向异性有闭。连结上述试验、贪图和仿制真相，大家将拓扑霍尔效应的物理根源概括为素来各向同性的自旋排布在外磁场的服从下涌现择优取向，从而导致标量自旋手性（定义为相近局域自旋向量所张成的固体角大小）不再相互抵消并实在泄漏出净值。

　　图4. (a-c) 洛伦兹电镜考察样品中的磁畴壁随磁场的演化。(d,e) 辨别磁场下小角中子散射强度及其沿平行和垂直磁场目的的角度积分。

　　由于拓扑霍尔效应与体系的自旋手性成正比，因此其强度在无磁场和胀和磁场哀求下皆为零，而在主题强度磁场下展现。这完全源与以往报叙过的生存手性自旋的体制都大相径庭，为筹算和制备手性自旋体制开辟了新的对象。别的，FCNM高熵合金具有浅易的面心立方机关，且制备工艺简单，职能易调控，这不单为手性自旋构造的计议需要了一个很好的质料体系，来日也有能够使用于自旋电子学器件。相闭劳动以“Observation of topological Hall effect in a chemically complex alloy”为题揭橥于Advanced Materials 202308415 (2024)。于吉皓为论文的第一作者，物理所孙保安副叙论员、白海洋协商员和广西大学李子安教养为论文的撮合通讯作者，配闭者包含东莞散裂中子源柯于斌商议员等。

　　该系列议论获得了国家自然科学基金委宏伟项目和本原科学主题项目、科技部国家重心研发筹谋、中国科学院计谋性初步科技专项和广东省本原和操纵根源雄伟项目的帮忙。