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近期，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場中心的研究團隊，在量子材料領域取得了突破性進展。該團隊的研究員邵定夫和杜海峰，攜手他們的合作者，成功預言了一種前所未有的反鐵磁材料——“X型反鐵磁體”。這一新型材料不僅具有獨特的交叉鏈結構，還被預測展現出子晶格選擇性的自旋輸運和非常規的反鐵磁動力學特性。
這項研究成果于近期在Cell出版社旗下的知名物理學期刊Newton上發表，并因其重要性被選為封面論文，引起了學術界的廣泛關注。
反鐵磁材料，作為磁性材料的一種，由兩個或多個鐵磁子晶格構成。這些子晶格間的磁矩在交換相互作用的影響下，以反平行或非共線方式排列，使得整體不顯示宏觀磁化強度。這類材料因其零雜散磁場和超快磁動力學響應等特點，被視為下一代自旋電子學器件的理想材料，有望應用于高密度、低功耗、高穩定性和超快讀寫的電子設備中。
然而，傳統觀念認為，反鐵磁材料的內部子晶格在自旋輸運性質上相互抵消，使得這類材料通常不具備自旋極化的輸運特性，從而限制了其在電子學中的應用。邵定夫和杜海峰團隊的研究則打破了這一限制，他們通過深入分析反鐵磁體的實空間堆疊方式，提出了一種全新的“X型反鐵磁體”。
在研究中，團隊通過結構搜索和高通量計算，從龐大的材料數據庫中篩選出了15種潛在的X型反鐵磁體候選材料。他們進一步根據對稱性和結構特征，提出了交叉鏈晶格模型，并歸納出了X型反鐵磁體的三種基本類型。其中，β-Fe?PO?作為一種已實驗合成的材料，具有高于室溫的反鐵磁奈爾溫度，成為了理想的X型反鐵磁體候選。
理論計算結果顯示，當輸運方向平行于X型反鐵磁體中的某一條鐵磁子晶格鏈時，幾乎完全自旋極化的電流主要沿該鐵磁鏈傳輸，而垂直方向的子晶格鏈則幾乎沒有電流分布。這意味著，通過選擇電場方向，可以在X型反鐵磁體中利用特定的子晶格進行自旋傳輸，從而實現了傳統磁性材料中無法具備的功能屬性。
例如，通過對特定子晶格鏈注入自旋流，可以產生作用于單一子晶格的非常規自旋力矩，進而驅動反鐵磁矢量實現確定性翻轉。這一特性為反鐵磁自旋電子學的高效信息寫入提供了可能，有望推動低功耗、超快讀寫速度的自旋電子學器件的發展。
X型反鐵磁體的發現，不僅是對70年前發現的G型、A型、C型反鐵磁結構家族的重要擴展，更展示了在固體材料中選擇性利用部分原子的可能性。這一研究成果為實現反鐵磁自旋電子學的高效信息讀寫和新型器件設計開辟了新的方向，同時也為挖掘材料內部隱藏特性、實現基于子晶格層次的新物理和新應用提供了新的研究思路。
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