近日，同济大学物理科学与工程学院周仕明教授团队与北京师范大学物理学系高等量子研究中心袁喆教授课题组，通过理论和实验深度合作首次揭示了铁磁金属材料四度对称各向异性磁电阻微观机制，即在自旋轨道耦合作用下，费米面态密度受磁矩方向调制从而导致电子弛豫时间的各向异性。
磁性金属材料的电阻率受磁构型的调控，这类被称为“磁电阻”的自旋相关输运现象是自旋电子学的重要基石。各向异性磁电阻描述了铁磁金属中电阻率随磁化方向改变的变化情况，早在1857年由William Thomson（Kelvin勋爵）在测量铁和镍的电阻率时首先发现，如今广泛应用于磁传感领域。在多晶材料中，对称性的限制使电阻率仅依赖于电流与磁矩方向的夹角j，呈现出cos2j型的二度对称性。自上世纪30年代首次在单晶镍中发现cos4j型的四度对称各向异性磁电阻以来，四度对称项已经被确认广泛存在于单晶铁、钴、氧化铁、锰氧化物和稀磁半导体等铁磁材料中。然而，经历了近一个世纪的探索，人们对四度对称各向异性磁电阻的微观机制依然知之甚少。
图1. (a)单晶铁铂有序合金的各向异性磁电阻测量示意图。(b)自旋轨道耦合作用下费米能附近态密度随磁矩方向的变化。当电流沿[110] (c)和沿[100] (d)，实验测量的电阻率随磁矩方向的依赖关系。
同济大学物理科学与工程学院周仕明教授团队与北京师范大学物理学系袁喆教授课题组合作，系统研究了L10相铁铂有序合金的各向异性磁电阻，并通过改变合金有序度和测量温度等条件分离出二度对称性和四度对称性的变化趋势。其中二度对称项强烈依赖于电流所在晶向，随有序度和温度的变化情况可以通过分析能带结构很好地理解。更重要的是，实验发现四度对称贡献与电流所在晶向无关，仅取决于磁矩所在的晶向，并且随无序度增大表现出先增大后减小的非单调变化。
第一性原理计算发现自旋轨道耦合相互作用使得费米面附近态密度随磁矩方向变化呈现相同的四度对称性，并且由于传导电子态密度增大而导致弛豫时间减小，电阻率增大。这项研究结合实验测量与理论计算，首次揭示了四度对称各向异性磁电阻来源于电子弛豫时间的各向异性，后者由费米面态密度四度变化所致。同时，四度项与电流所在晶向无关，这成为该机制的决定性判据。进一步，第一性原理计算复现了铁铂有序合金中的四度对称项随无序度的非单调变化和自旋轨道耦合强度的单调变化。最后需要指出的是，在自旋轨道耦合作用下，磁矩方向调制费米面态密度是铁磁金属中普遍存在的现象，因此本文提出的机制对于单晶铁磁金属具有普适性。此外，电子弛豫时间的各向异性也会引起包括磁性阻尼在内的重要物理参数出现各向异性行为。
图2. (a) 实验测量四度对称各向异性磁电阻。(b) 理论计算完全有序铁铂合金的四度对称项随电阻率的变化。插图表示有限温度费米面态密度的各向异性。
相关成果以Fourfold anisotropic magnetoresistance of L10 FePt due to relaxation time anisotropy为题发表在《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 128, 247202 (2022)]。同济大学物理科学与工程学院博士生代宇和北京师范大学物理学系博士生赵亚文为论文的共同第一作者，周仕明教授和袁喆教授为论文的共同通讯作者，论文的主要合作者还包括同济大学丘学鹏教授、马丽博士、唐猛博士和北京师范大学刘翌研究员。研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划等经费的支持。
论文链接https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.247202