Switching Anomalous Hall and Nernst Responses by Nonmagnetic N Occupation at Fixed Noncoplanar Mn Antiferromagnetic Order

在现代电子世界中，控制电流的流动通常是管理磁性的问题。大多数设备依赖于铁磁体——即像铁这样具有强大且统一磁吸引力的材料——来引导电子。然而，一类被称为反铁磁体的不同材料提供了一个诱人的替代方案。在这些物质中，原子的微小磁矩指向相反的方向，从而相互抵消，使得材料没有净磁场。这使得它们对外部磁场“隐形”且能够抵抗干扰，同时仍能实现极快的内部切换速度。几十年来，科学家们一直认为，由于这些材料缺乏净磁场，它们无法产生某些通常需要磁性才能产生的有用电效应。近期的发现挑战了这一观点，研究表明，如果内部磁性排列足够复杂，这些“隐形的”磁体仍然可以产生横向流动的电流，这种现象被称为反常霍尔效应。现在的重大问题是，如何在不物理扭转磁结构的情况下（这很难做到）开启和关闭这种效应。

一个研究小组发现了一种方法，只需通过改变哪些原子位于晶格的空隙中，即可简单地开启和关闭这些电响应，而无需触动磁结构。他们专注于一类特定的锰基晶体。想象一个由锰原子构成的刚性三维网格，这些原子排列成一种复杂的非平面图案，其磁方向像轮辐一样进出平面。这种磁性排列是驱动电效应的引擎。研究人员利用三种不同版本的网格进行了一系列受控模拟：一种没有任何额外原子，一种填充了特定数量的氮原子，以及一种填满了氮原子的完整层。至关重要的是，他们强制要求这三个版本具有完全相同的尺寸和完全相同的磁性排列。唯一的区别在于有多少氮原子占据了晶体结构中的空位。

结果揭示了一种令人惊讶且精确的控制机制。当氮原子缺失时，电响应为零。当加入氮原子以填充特定间隙时，电响应突然出现并达到显著强度。当进一步加入氮原子以填满所有可能的间隙时，电响应再次消失。这创造了一个明显的“零、有限、再到零”的模式。研究人员发现，氮原子充当了对称性开关。在空置和完全填充的状态下，晶体具有高度的对称性，这种对称性迫使材料不同部分的电贡献完美抵消，就像两个人朝着相反方向用力拉绳子，力量相等，导致绳子纹丝不动。然而，在中间状态下，氮原子打破了足够的对称性，从而阻止了这种抵消，允许净电流流动。

研究表明，在这种中间状态下，材料产生了 -126 S/cm 的特定电导率和 0.77 V/mK 的热电压响应。这些数值代表了可以被技术利用的稳健信号。核心见解在于，磁序本身从未改变；在整个实验过程中，锰原子始终保持着相同的指向。相反，非磁性的氮原子改变了晶体几何结构的规则。通过占据特定的位置，它们移除了此前迫使电效应相互抵消的某些旋转对称性，同时保持了反演对称性。这使得潜在的磁性复杂性终于得以表现为可测量的电信号。

这项工作确立了非磁性原子可以作为补偿型反铁磁体中电子传输的独立控制旋钮。它证明了不需要重新定向磁自旋来开启或关闭这些效应；人们只需要调整晶格空位的原子占据情况。这一发现为设计未来的自旋电子器件开辟了一条新路径，在这些器件中，信息的流动可以通过原子成分的细微变化来切换，而非依赖笨重的磁场。研究人员证明，仅有非磁性原子的存在并不足以保证产生响应；正是这些原子打破晶体对称性的特定方式，决定了电流是否能够流动。通过精密的理论建模隔离这一效应，该研究为如何设计既具有磁静默特性又具有电活性特性的材料提供了清晰的蓝图。