一种名为YbMnBi₂的稀土化合物展现出奇特的磁性液晶态。研究表明，在常规磁序消失后，该材料中的锰自旋仍能保持方向性波动。这一发现挑战了以往关于倾斜磁自旋的解释，揭示了镱元素在其中的关键作用，并为理解该材料产生巨大反常霍尔效应的内在机制提供了全新的研究视角。
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一种名为YbMnBi₂的化合物内部存在一种奇特的磁态，这或许有助于解释其最不寻常的电学特性之一。
莱斯大学（Rice University）的研究人员发现，即使在常规磁序消失后，该材料仍能保持方向性的自旋波动。这一发现指出了磁行为与该材料巨大的反常霍尔效应之间一种此前被忽视的联系。
这项研究挑战了此前涉及倾斜磁自旋的解释。中子实验反而发现，锰自旋基本上保持对齐。该团队现在将锰和镱之间的相互作用视为这种异常霍尔响应的可能来源。
自旋保持其方向
大多数磁性材料在加热超过其磁有序温度后，会失去其有序的自旋结构。而YbMnBi₂的表现则更为不同寻常。
在长程磁序消退后，其锰自旋继续在优选方向上波动。这种行为类似于液晶，在液晶中，分子可以自由移动，但仍能保持方向性排列。
莱斯大学物理学家戴鹏程（Pengcheng Dai）及其团队将这种状态称为磁性液晶。他们的测量数据来自橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的高通量同位素反应堆（High Flux Isotope Reactor）和散裂中子源（Spallation Neutron Source）的中子实验。
这些测量还解决了一个关于YbMnBi₂的长期悬而未决的问题。一些研究人员曾提出，倾斜的自旋可能会产生一种外尔态（Weyl state），从而导致该材料异常的电学响应。但中子数据并不支持体材料（bulk material）中的这种图像。
“几种提出的解释要求磁自旋发生倾斜，”莱斯大学研究生、共同第一作者谢耀锋（Yaofeng Xie）说，“我们的测量表明，自旋基本上是共线的。”
镱元素改变了这一图景
随后，研究人员测试了去除磁性镱成分后会发生什么。他们将YbMnBi₂与CaMnBi₂进行了比较，后者用非磁性的钙取代了镱。在基于钙的材料中，方向性自旋波动消失了。
这一比较为团队提供了证据，证明镱在这种奇特的磁态中起着关键作用。进一步的测量表明，一些镱离子带有自己的磁矩。
这些磁矩能够对外加磁场做出响应，并与锰自旋发生相互作用。团队的计算表明，这种相互作用还可能影响电子在YbMnBi₂中的传输方式。
霍尔效应的新途径
霍尔效应通常是在磁场下电流流过材料时产生横向电压。磁性材料即使在没有外部磁场的情况下也能产生相关的响应。
YbMnBi₂产生了特别巨大的反常霍尔效应。研究人员现在提出，其奇特的磁波动可能有助于解释其中的原因。
他们的模型将镱磁矩与方向性波动的锰自旋联系起来。外加磁场可以组织这些相互作用，从而以偏转运动电子的方式发挥作用。
“关键在于镱磁矩和锰自旋波动协同作用，”戴鹏程说。它们的相互作用可以改变电子运动，并促成巨大的霍尔响应。这一结果为研究人员提供了一种研究反常霍尔效应的不同方法。它也表明，磁无序并不总是意味着完全的随机性。
在YbMnBi₂中，自旋失去了长程有序，但保留了方向偏好。这种组合创造了一种磁态，其行为更像液晶，而不是传统的加热磁体。
该研究发表在《Physical Review X》期刊上。
资讯来源
- interestingengineering.com (2026-10-02)
- 原文： 稀土化合物展现出奇特的液晶状磁性
- https://interestingengineering.com/science/rare-earth-compound-strange-magnetic-state