对非平凡带拓扑产生的现象进行电子操纵是利用拓扑保护开发下一代技术的关键。Weyl半金属是一个三维无间隙的体系，它容纳Weyl费米子作为低能准粒子。它由于具有拓扑保护的Weyl节点具有强健的各种奇异的性质，如大的反常霍尔效应(AHE)和手性异常。为了控制这种现象，一种磁性的Weyl半金属将有助于控制Weyl节点在布里渊区里的位置。此外，反铁磁Weyl金属的电操纵将有助于利用反铁磁自旋电子学实现高密度器件的超快操作。
然而，Weyl金属的电学控制还没有被报道过。近日，日本东京大学等研究者证明了拓扑反铁磁态的电学开关及其在室温下由AHE在反铁磁Weyl金属Mn3Sn多晶薄膜中的检测，该薄膜具有零场的AHE。相关论文以题为“Electrical manipulation of a topological antiferromagnetic state”于04月20日发表在Nature上。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2211-2
近年来，凝聚态物理学的广泛研究，揭示了电子能带结构中具有非平凡拓扑结构的各种新型量子相。这种拓扑系统的典型例子就是Weyl半金属。两个非简并带在一对动量点处线性接触，形成了具有不同手性的无间隙Weyl费米子，这种状态打破了时间反演对称(TRS)或镜面对称。这些接触点或Weyl节点作为底层Berry曲率单元强度(反)磁单极子的拓扑保护，从而涌现出各种现象，如大的AHE、反常能斯特效应(ANE)、手性异常和光学陀螺性。
为了利用拓扑状态发展科学和技术，关键的下一步是用电来操纵这些涌现的现象。在Weyl半金属中，这种操作可以通过在布里渊区中移动Weyl点来实现。TRS-破缺或磁性Weyl半金属由于其磁性结构适合于此用途。此外，反铁磁体(AFMs)作为新一代自旋电子学器件的活性材料，具有比铁磁材料更高的存储密度和更快的运行速度，近年来受到了广泛的关注。然而，还没有关于反铁磁或铁磁Weyl半金属的电操纵的报道。
随着研究者对电子结构拓扑方面理解的进步，在自旋液体和手性AFMs Mn3X(X = Sn, Ge, Ga, Ir, Pt, Rh)等非铁磁体系中发现了AHE。这一发现表明，在没有磁化M的情况下，AFMs可能会表现出较大的横向响应，比如AHE和ANE，这是由动量空间的Berry曲率引起的。尤其是，理论研究和单晶实验表明，Mn3Sn含有磁性的Weyl费米子。大型拓扑响应，如AHE和ANE，与Weyl节点的拓扑保护有关，对无序、杂质和热波动具有很强的抵抗能力；例如，它们的锰浓度范围很广，甚至出现在多晶薄膜中，为未来的应用铺平了道路。
此文中，研究者通过AHE的检测，演示了拓扑反铁磁态在Mn3Sn多晶薄膜中的电开关。利用由Mn3Sn和非磁性金属组成的双层器件，研究发现，当电流密度为每平方米1010到1011安培时，非磁性金属会发生磁开关，霍尔电压会发生较大的变化。另外，电流沿偏置场的极性和非磁性金属的自旋霍尔角的符号，Pt为正，Cu接近0，W为负——这些决定了霍尔电压的符号。值得注意的是，反铁磁体中的电开关是通过与铁磁金属相同的协议实现的。
图1 拓扑Weyl AFM Mn3Sn和双层设备布局
图2 Mn3Sn器件中SOT诱导的磁开关。
图3 可重构的反铁磁性的切换。
图4 非共线自旋织构的SOT机制与电开关
该研究成果将为拓扑磁和反铁磁自旋电子学的进一步发展提供科学依据。（文：水生）
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