近日，中国科学院合肥物质院强磁场中心低功耗量子材料平台研究团队邵定夫研究员、杜海峰研究员与合作者预言了一类具有交叉链结构的新型反铁磁材料，团队将其命名为“X型反铁磁体”，并预测其中存在具有子晶格选择性的自旋输运和非常规反铁磁动力学。相关研究成果发表于Cell出版社旗下的物理学旗舰期刊Newton，并被选为封面论文。
反铁磁材料是由两个或多个铁磁子晶格组成的磁性材料。在交换相互作用的影响下，子晶格间的磁矩反平行或非共线排列，使整体对外不显示宏观磁化强度。这类材料具有零杂散磁场、超快磁动力学响应等优点，有望用来被视为实现高密度、低功耗、高稳定性、超快读写的下一代自旋电子学器件的理想候选材料。然而，由于内部子晶格贡献的自旋输运性质互相抵消，反铁磁材料通常不具有自旋极化的输运特性，很难实现电子学应用。如果能够有选择性地对利用反铁磁体的单个子晶格进行利用，就有可能开辟探索新物理现象与发展高性能自旋电子学应用的机遇崭新路径。但传统观点认为然而，固体材料的宏观性质通常来源于所有原子的集体贡献，通常认为单独选择材料内部的部分原子加以利用通常是不可能行的。
在此工作中，研究团队通过对反铁磁体实空间中的堆叠方式进行的分析，提出自然界中可以存在一种具有形状如同英文字母“X”的交叉链结构共线性反铁磁体，研究团队将其命名为即“X型反铁磁体”。通过结构搜索和高通量计算，研究团队从材料数据库中筛选出15种潜在的 X 型反铁磁体候选材料，并根据对称性和结构特征提出了交叉链晶格模型，总结了归纳出X型反铁磁体的三种基本类型。
在筛选出的材料中，β-Fe₂PO₅ 已有实验合成，具有高于室温的反铁磁奈尔温度，是一个种理想的X型反铁磁体候选材料。理论计算显示，在输运方向平行于其中一条铁磁子晶格链时，几乎完全自旋极化的电流主要沿着该铁磁链传输，而垂直方向的子晶格链则基本没有无电流分布。这说表明可以，通过选择电场的方向，可以在X型反铁磁体中利用特定的子晶格来进行自旋传输。这种前所未有的独特性质允许我们挑选出反铁磁体中特定的子晶格来加以利用，实现传统磁性材料中无法具有的功能属性。例如，通过对特定子晶格链注入自旋流，可以产生作用于单一子晶格的非常规自旋力矩，驱动反铁磁矢量实现确定性翻转。这一特性可以用于实现反铁磁自旋电子学超快、低功耗的信息写入。
该工作提出的X 型反铁磁体，是对早在70年前就已经发现的G型、A型、C型反铁磁结构家族的一个重要扩展，其独特的具有子晶格选择性的输运性质，也展示了在固体材料中选择利用部分原子加以利用的可能性。研究结果为实现反铁磁自旋电子学高效信息读写和新型器件设计开辟了新方向，。同时，该研究中采用的基于实空间磁结构的研究思路，有别于基于动量空间中能带特性的传统分析方法，有助于充分挖掘材料内部的隐藏特性，实现基于子晶格层次的新物理和新应用。
该工作被选为Newton期刊2025年第4期的封面论文。反铁磁自旋电子学理论专家、捷克科学院物理研究所Jakub Železný博士在同期为该工作撰写了题为“一种新型反铁磁结构（“A new type of antiferromagnetic stacking）”的评述，对该工作进行了高度评价。
合肥物质院强磁场中心博士生张水森为论文第一作者，固体所邵定夫研究员、强磁场中心杜海峰研究员、内布拉斯加-林肯大学Evgeny Y. Tsymbal教授为论文共同通讯作者。该项研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院建制化科研平台项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100068
评述链接：https://doi.org/10.1016/j.newton.2025.100109
图1.G型、A型、C型和X型反铁磁体
图2.X型反铁磁体的三种基本类型
图3.：X型反铁磁体候选材料β-Fe2PO5
图4.基于X型反铁磁体的单子晶格自旋力矩及潜在器件应用
图5.Newton 2025年第4期封面图，描绘了X型反铁磁体中的单子晶格链自旋输运现象
