近日，上海大学材料基因组工程研究院曹桂新教授团队与合作者在国际知名期刊《Advanced Science》发表题为“Giant topological Hall effect across a broad temperature window in Co-doped Mn₃Sn noncoplanar antiferromagnets”（DOI:10.1002/advs.76226）的研究论文，并入选期刊封面。该研究通过Co掺杂调控Mn₃Sn的自旋构型，在非共面反铁磁体系中实现了从低温延续至室温的巨大拓扑霍尔效应。该效应在300 K室温下达到0.45 μΩ·cm，约为同类材料已报道最大值的5倍，为室温反铁磁自旋电子器件的材料设计提供了新的思路。
具有拓扑非平庸自旋纹理的磁性材料，因其独特的输运性质及在自旋电子器件中的潜在应用而备受关注。当电子在具有非零标量自旋手性的非共面自旋构型中运动时，实空间贝利曲率可产生附加的霍尔响应，即拓扑霍尔效应（topological Hall effect，THE）。这一效应为电学探测手性自旋结构提供了重要途径，也为开发新型信息存储与自旋电子器件提供了物理基础。然而，许多材料中显著的拓扑霍尔效应仅出现在低温条件下，限制了其实际应用。实现室温拓扑霍尔效应，需要在较高温度下维持稳定的手性自旋结构。化学掺杂是调控磁相互作用与自旋构型的有效手段，有望将共面非共线磁态转变为具有非零标量自旋手性的非共面磁态。Mn₃Sn具有较高的奈尔温度（TN≈ 420 K），为探索室温拓扑霍尔效应提供了理想的母体平台。然而，其共面反三角自旋结构不产生净标量自旋手性，因此在这一磁态下难以形成相应的本征拓扑霍尔响应。此前，相关多晶样品中虽曾在低温下观测到微弱的拓扑霍尔信号，但通常被归因于磁场诱导的手性自旋结构或畴壁贡献。
针对这一挑战，曹桂新教授团队成功制备了Mn₃₋ₓCoₓSn系列高质量单晶，通过Co替代部分Mn，诱导自旋产生面外分量，推动共面反三角自旋构型向非共面构型转变。由此产生的非零标量自旋手性及实空间贝利曲率，为巨大拓扑霍尔效应的形成提供了物理机制。当Co掺杂量达到x= 0.42时，样品在2 K下的本征拓扑霍尔电阻率高达1.64 μΩ·cm，约为此前同类非共面反铁磁材料已报道最大值的9倍。更为突出的是，该效应在300 K室温下仍达到0.45 μΩ·cm，约为同类材料已报道最大值的5倍，展现出宽温域内显著的拓扑霍尔响应。该研究表明，化学掺杂能够有效调控非共线反铁磁体的自旋构型，为设计具有室温拓扑霍尔效应的量子材料及探索相关自旋电子器件提供了重要依据。
上海大学材料基因组工程研究院博士生张明倩为论文第一作者，曹桂新教授、张金仓教授和南京理工大学赵琨教授为共同通讯作者。该研究得到江苏省重大科技专项、国家新材料科学技术重大专项、国家自然科学基金、江苏省自然科学基金及中央高校基本科研业务费专项的支持。
图1，不同Co含量样品在不同温度下的拓扑霍尔电阻率随磁场的变化曲线及对应样品的拓扑霍尔电阻率随温度和磁场变化的二维图。
图2，论文入选Advanced Science期刊封面
文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.76226
