研究人員發現 YbMnBi₂化合物中的液晶狀磁性狀態或揭示其異常電性質的成因

一種名為 YbMnBi₂ 的化合物內部存在奇特的磁性狀態，可能有助於解釋其一些異常電性質。萊斯大學的研究人員發現，該材料在傳統磁序消失後仍然保持方向性自旋波動。這一發現指向了一個被忽視的聯繫，即磁性行為與材料的大異常霍爾效應之間的關係。這項研究挑戰了早前有關傾斜磁自旋的解釋。中子實驗則發現，錳的自旋基本上保持一致。研究團隊現在指出，錳和釔的相互作用可能是異常霍爾反應的來源。

YbMnBi₂的磁性液晶特性

通常情況下，大多數磁性材料在加熱超過其磁序溫度後會失去其有序的自旋結構。然而，YbMnBi₂ 的表現則更為異常。其錳自旋在長程磁序消退後，仍然繼續沿著首選方向波動。這一行為類似於液晶，分子可以自由運動，但仍然保持方向上的一致性。萊斯物理學家戴鵬程及其團隊將這一狀態稱為磁性液晶。他們的測量來自於在橡樹嶺國家實驗室的 Qualcomm 量同位素反應堆和裂變中子源進行的中子實驗。

這些測量還解決了有關 YbMnBi₂ 的一個長期問題。一些研究人員曾提出，傾斜的自旋可能會創造出一種韋爾狀態，這是材料異常電性反應的原因。然而，中子數據並不支持該材料的這一觀點。

研究生謝耀峯表示：「幾個提議的解釋需要磁自旋是傾斜的，而我們的測量顯示自旋基本上是共線的。」研究人員隨後測試了去除磁性釔成分後會發生什麼情況。他們將 YbMnBi₂ 與 CaMnBi₂ 進行比較，後者將釔替換為非磁性的鈣。在基於鈣的材料中，方向性自旋波動消失。這一比較為團隊提供了證據，顯示釔在異常磁性狀態中扮演著關鍵角色。進一步的測量表明，某些釔離子本身攜帶磁矩，這些矩可以對施加的磁場做出反應，並與錳自旋相互作用。

團隊的計算表明，這一相互作用也可能影響電子在 YbMnBi₂ 中的運行。

異常霍爾效應的原因

霍爾效應通常在材料在磁場下通電時產生橫向電壓。磁性材料即使在沒有外部磁場的情況下，也可以產生相關的反應。YbMnBi₂ 產生了一種特別大的異常霍爾效應。研究人員目前提出，其異常的磁性波動可能有助於解釋這一現象。他們的模型將釔的磁矩與方向性波動的錳自旋聯繫起來。施加的磁場可以以一種方式組織這些相互作用，從而偏轉運動中的電子。戴鵬程表示：「關鍵在於釔的磁矩和錳自旋波動共同發揮作用。」

他們的相互作用可能改變電子運動並促成強大的霍爾反應。這一結果為研究人員提供了一種不同的方式來檢視異常霍爾效應。它還顯示，磁性無序並不總是意味著完全隨機。在 YbMnBi₂ 中，自旋失去長程有序但保持方向偏好。這一組合創造了一種磁性狀態，更像液晶而非傳統的加熱磁體。

該研究發表在《物理評論 X》期刊上。

YbMnBi₂對異常電性質的啟示

YbMnBi₂的研究揭示了磁性與電性之間的複雜關係，特別是在材料的磁性液晶狀態下。這種狀態挑戰了傳統對磁性材料的理解，顯示即使在磁序消失後，材料仍能維持特定的自旋波動，影響其電性質。這一發現不僅對基礎科學研究具有重要意義，還可能推動新型電子材料的開發，特別是在異常霍爾效應的應用上，為未來的技術創新提供了新的思路。