自旋翻转转变中弱交换耦合范德华反铁磁体的自旋塞贝克效应：探索磁特性与新型器件的前沿研究

为探究自旋塞贝克效应（SSE）在自旋翻转转变中的行为，研究人员对弱交换耦合范德华反铁磁体 CrPS4进行研究。发现 SSE 在自旋翻转转变前随磁场增强，在自旋翻转场出现峰值。该研究拓展了 SSE 研究范围，为新型磁子器件奠定基础。

　　在当今科技飞速发展的时代，热电领域的研究备受关注。热电效应能将热能转化为电能，为绿色能源生产带来新希望。其中，热自旋电子学效应利用热梯度下的非平衡磁子输运现象，让磁性绝缘体有望成为高效热电装置。自旋塞贝克效应（SSE）作为热自旋电子学的重要部分，指在磁性材料中，温度梯度（?T）能产生自旋电流（J_s） ，这一效应可通过与重金属接触时的逆自旋霍尔效应（ISHE）进行电检测。它为研究材料的磁性，如磁相变、静态磁序和磁子激发等，提供了关键视角。

不过，目前 SSE 在自旋翻转转变中的行为还未被充分了解。尽管 SSE 在自旋倾转转变中的研究已较为广泛，但在自旋翻转转变方面，仍存在诸多未知。尤其是在具有层间反铁磁耦合的范德华体系中，弱交换耦合和低自旋翻转场的特性使得对 SSE 的研究更具挑战，这一领域迫切需要深入探索。

为了填补这些知识空白，来自华南理工大学、ETH Zürich、挪威科技大学等多所高校和研究机构的研究人员携手开展了一项重要研究。他们聚焦于弱交换耦合的范德华反铁磁体 CrPS₄，深入探究其中的 SSE 现象。研究成果发表在《Nature Communications》上，为该领域的发展带来了新的突破。

研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。在样品制备方面，采用化学气相传输技术合成 CrPS₄单晶，利用原子力显微镜等手段对其结构和厚度进行表征。在测量过程中，借助物理性质测量系统（PPMS - 9T），通过改变温度和磁场来测量 SSE，同时使用锁相放大器检测微弱信号，确保实验数据的准确性和可靠性 。

下面来看具体的研究结果：

• 纵向 SSE 在 CrPS₄/Pt (Ta) 中的表现：研究人员制备了高质量的 CrPS₄/Pt 异质结构，并制作成霍尔条形器件。通过施加交流电产生垂直温度梯度，进而观测 SSE。研究发现，在自旋翻转转变前，SSE 随外加磁场增强而增大，这主要是因为倾斜磁化的增强导致了显著的磁子泵浦。通过对比 Pt 和 Ta 样品，发现由于自旋霍尔角相反，热产生的自旋电流会产生极性相反的 SSE 信号，从而有效区分了 SSE 与其他杂散效应。此外，SSE 在温度超过 CrPS₄的奈尔温度（T_N）时依然存在 。
• SSE 峰值的起源：在自旋翻转场处观察到的 SSE 峰值引起了研究人员的极大兴趣。通过分析，发现该峰值与静态磁矩无关，而是与磁子模式密切相关。研究人员利用自旋哈密顿量对角化得到磁子频率与磁场的关系，发现 ω_α模式在自旋翻转场前后的变化对 SSE 峰值有重要影响。进一步的理论计算表明，外加磁场对注入重金属的热自旋电流有两方面作用，一是增加倾斜角，二是改变磁子频率，这两种作用共同解释了 SSE 在自旋翻转场出现峰值和饱和的现象 。
• CrPS₄/Pt 中的非局域 SSE：研究人员引入非局域配置进一步探究 SSE。在这种配置下，通过在 Pt 条中通入电流产生面内热梯度，引发磁子的非平衡分布。实验结果显示，施加面内磁场时，SSE 随外加磁场的变化与纵向配置相似，在自旋翻转场也出现峰值。当外加磁场接近 z 轴时，由于自旋极化与倾斜磁化的对齐，会产生微弱的 SSE 响应 。

在研究结论和讨论部分，研究人员成功证实了在弱层间交换耦合的范德华反铁磁体 CrPS₄与重金属接触时存在 SSE。通过调节磁场，SSE 得到显著增强，且在自旋翻转场出现的 SSE 峰值与自旋翻转转变的温度依赖性相同。这一峰值源于磁子模式边缘随外加磁场在自旋翻转场的变化。与其他体系中 SSE 峰值的产生机制不同，CrPS₄/Pt (Ta) 中的峰值主要涉及磁子模式和自旋电导。该研究表明，通过调节温度和外加磁场，能有效调制 CrSP₄/Pt (Ta) 中的磁子自旋输运，这为开发利用弱交换耦合范德华反铁磁材料的新型磁子器件开辟了新道路，推动了自旋电子学领域的发展，具有重要的理论和实际应用价值。