日本东京大学2016年6月3日宣布，发现了一种显示出前所未有的巨大自发性反常霍尔效应的反铁磁性物质。有望以此开发出能以很小的电流产生巨大的电动势、抑制发热的新一代反铁磁性存储材料。


反铁磁性体Mn3Ge的霍尔效应概念图
（该图摘自东京大学的发布资料） （点击放大）

Mn3Ge的晶体构造和磁场中的磁构造
（a）具有z=0面和z=1/2面两个层的竹篮孔方格构造。（b）施加B//［2110］磁场时的Mn自旋电子磁构造。（c）施加B//［0110］磁场时的磁构造（该图摘自东京大学的发布资料） （点击放大）

因磁场变化而产生的反常霍尔效应和磁化
（a）在0磁场下霍尔效应也会残留，因此可显示出反常霍尔效应。（b）100G磁化时，在自旋反转的同时，出现了巨大的异常霍尔效应（该图摘自东京大学的发布资料） （点击放大）

研究小组2015年于全球首次发现了自发性地显示出巨大反常霍尔效应的反铁磁性物质“Mn3Sn”。此次，通过对相关物质进行一系列的探索，发现把Sn换成Ge的锰锗化合物“Mn3Ge”在5K低温下显示出400Ω-1cm-1的霍尔传导率，这是Mn3Sn显示出的最大值的4倍以上。

Mn3Ge具有被称作“Kagome格子”的晶体构造，锰原子及其自旋原子配置在等边三角形的顶点位置。此时，如果相邻的自旋电子指向相反方向、效果相互抵消的力（反铁磁相互作用）发挥作用，三角形的三个顶点之间就会在力量上势均力敌，最后会以相互倾斜120度的状态稳定下来。

研究发现，从外部对这种状态施加磁场时，每个锰元素发生了数毫μB的磁化。虽然这种磁化非常小，只有普通铁磁体的千分之一左右，但在几百高斯的较小磁场作用下发生了反磁化，霍尔电压符号也随之发生反转。研究小组此次还发现，Mn3Ge的这种自发性反常霍尔效应可在-270℃至其尼尔点（反铁磁性转变为顺磁性的温度），也就是120℃之间的广泛温度范围内出现。

以往的铁磁性体材料存储元件会受到漏磁场的影响，如果使用反铁磁性体，可使自旋电子一致朝着相反方向，自旋电子总体上几乎不会产生漏磁场，因此可以实现高集成化。而且，反铁磁性体一般还能显示出速度比铁磁性体快3位数以上的工作性能。另外，还能以比较简单的方法进行物质合成，用克拉克值高、廉价且没有毒性的元素构成，因此是一种具备出色特性的实用材料。今后，以实用化为目标的研发有望取得进展。

此次的研究成果预定于2016年6月9日刊登在美国科学期刊《Physical Review Applied》网络版上。（特约撰稿人：工藤 宗介）