Реакция Холла высшего порядка возникает из октупольного упорядочения и скалярной спиновой хиральности в неколькони́льном антиферромагните

Спины, которые ведут себя как скрытые магниты

Современная электроника в основном опирается на материалы с простой магнитностью: маленькие моменты, похожие на брусочки-магниты, либо выстраиваются в ряд, либо направлены в противоположные стороны. В этой работе исследуется принципиально другой тип магнетизма, где спины атомов указывают по закрученному узору, а не просто вверх или вниз. Авторы демонстрируют, что такой «неколлинеарный» антиферромагнетик способен генерировать необычное боковое электрическое поле, хотя по обычным признакам он почти не ведёт себя как магнит. Понимание и управление этим скрытым упорядочением может открыть путь к более быстрым и энергоэффективным спин-электронным устройствам.

Боковое смещение движущихся электронов

Когда электрический ток проходит через магнитный материал в поле, движущихся электронов могут слегка подталкивать вбок, создавая напряжение поперёк образца. Это явление, называемое эффектом Холла, хорошо известно для обычных ферромагнетиков, где оно связано с суммарной намагниченностью — общим выравниванием спинов. В традиционных антиферромагнетиках спины компенсируют друг друга в противоположных направлениях, поэтому ожидается отсутствие поперечного напряжения. Тем не менее в некоторых кристаллах, где спины образуют шаблон с углом 120 градусов на треугольных сетках, эксперименты показали сильный сигнал Холла даже при почти нулевой суммарной намагниченности. Загадка заключается в том, какая микроскопическая магнитная структура действительно вызывает этот эффект.

Скрытые узоры за пределами простой намагниченности

Материал, изученный здесь, Mn3Ni0.35Cu0.65N, имеет атомы марганца, расположенные в плоскостях в шаблоне, похожем на какомэ — «кагоме». В этих плоскостях соседние спины отстоят друг от друга на 120 градусов, образуя фрустрированную конфигурацию, которую нельзя удовлетворить простым «вверх–вниз» упорядочением. Вместо поведения как простой диполь этот спиновый узор можно описать более сложным «октупольным» упорядочением — коллективной структурой, действующей как магнитный объект более высокого порядка. Исследователи с помощью анализа симметрий и продвинутых расчётов электронной структуры показывают, что это октупольное упорядочение может имитировать роль намагниченности и вызывать отклик Холла, даже когда обычный магнитный момент почти отсутствует.

Исследование невидимого порядка с помощью вращающихся полей

Чтобы разделить различные вклады в эффект Холла, команда изготовила тонкие плёнки Mn3Ni0.35Cu0.65N и сформировала их в устройства типа Hall bar. Затем они подали магнитные поля не только перпендикулярно плёнке, но и в её плоскости, точно выровненные по выбранным кристаллографическим направлениям. Когда поле приложено вне плоскости, и маленькая суммарная намагниченность, и октупольное упорядочение могут вносить вклад в сигнал Холла, что затрудняет их разделение. Однако при чисто плоскостном поле геометрия подавляет обычный дипольный вклад в эффект Холла. В этих условиях исследователи по-прежнему наблюдают чёткий ступенчатый сигнал Холла, величина которого зависит от угла поля и повторяется каждые 120 градусов — именно та ротационная симметрия, которую ожидают от базовой октупольной структуры.

Изогнутые спины и дополнительный сигнал Холла

При низких магнитных полях данные показывают дополнительную, более тонкую особенность, похожую на эффект Холла, которая появляется лишь около нулевого поля и меняет знак в зависимости от направления съёмки поля. Такое поведение напоминает так называемый топологический эффект Холла, часто связанный с вихревыми спиновыми текстурами, например с скирмионами. В Mn3Ni0.35Cu0.65N спины не образуют таких топологических объектов, но симуляции показывают, что поле может слегка наклонять спины вне их плоского, копланарного расположения, создавая некопланарные треугольники с конечной «скалярной спиновой хиральностью» — мерой того, насколько три спина выкручены из общей плоскости. Такая скрученная конфигурация действует на электроны как возникающее магнитное поле, добавляя характерный низкопольный вклад в эффект Холла, который имеет ту же 120-градусную угловую периодичность, что и октупольный отклик, но противоположного знака.

Новые ручки управления для будущих спиновых устройств

Комбинируя точные измерения, аргументы на основе симметрий и расчёты от первых принципов, авторы показывают, что в этом неколлинеарном антиферромагнетике сосуществуют три разные магнитные составляющие: малая обычная намагниченность, доминирующее октупольное упорядочение и вклад, управляемый хиральностью, который появляется при наклоне спинов из плоскости. Каждая из этих составляющих становится значимой в разных диапазонах поля и ориентации, что даёт более богатый и настраиваемый отклик Холла по сравнению с обычными магнитными материалами. Главное для неспециалиста: магнетизм в твёрдых телах может быть гораздо более сложным, чем простая совокупность маленьких брусочков-магнитов, и эти скрытые порядки можно использовать для управления электрическими токами новыми способами — многообещающим направлением для будущих энергоэффективных и быстродействующих спинтронических технологий.

Цитирование: Rajan, A., Saunderson, T.G., Lux, F.R. et al. Higher-order Hall response arises from octupole order and scalar spin chirality in a noncollinear antiferromagnet. Commun Mater 7, 73 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01080-6

Ключевые слова: неколлинеарный антиферромагнетик, аномальный эффект Холла, спиновая хиральность, октупольное упорядочение, спинтроника