近日，我系/应用表面物理国家重点实验室吴义政课题组与北京师范大学物理学系袁喆教授课题组合作，通过理论与实验结合，首次发现铁磁金属材料中各向异性磁电阻效应能带拓扑的本征机制，推进了各向异性磁电阻自上世纪就已停滞的物理机制的理解。8月24日，相关成果以《单晶Co_xFe_1−x合金薄膜中各向异性磁电阻的本征机制与实验验证》（“Intrinsic Mechanism for Anisotropic Magnetoresistance and Experimental Confirmation in Co_xFe_1−x Single-Crystal Films”）为题在线发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 125, 097201 (2020)]。

自旋相关输运性质是自旋电子学的基石。其中，于1857年由Lord Kelvin发现的各向异性磁电阻（anisotropic magnetoresistance, AMR）效应，被认为是磁性材料中的一种基本自旋相关输运性质。AMR效应表现为铁磁材料电阻大小依赖于磁矩与电流的相对夹角，因而被广泛应用于磁传感器件中。传统理论认为，由于巡游电子与局域磁矩的相互作用，AMR主要来源于自旋轨道耦合作用引起的各向异性s-d电子散射。人们早就发现，在单晶材料中，AMR大小显著受到电流取向相对于晶体结构的方向的影响，说明其会受到铁磁材料的能带结构的调制。但是自AMR发现以来，对于铁磁材料的本征能带结构如何影响AMR这一物理问题，一直未能得到深入理解。

吴义政课题组长期对于单晶金属薄膜中的自旋相关输运性质开展了系统研究，并在高质量单晶CoFe合金薄膜中发现AMR效应存在巨大的电流取向效应，当电流沿着<100>和<110>方向时AMR值大小存在一个量级的差别。袁喆教授课题组通过第一性原理计算发现，CoFe合金薄膜中AMR效应的电流取向效应与电子能带结构中的拓扑节点（nodal point）相关。这些节点受到对称性保护，开启和闭合状态取决于磁场方向变化，从而改变了CoFe自旋相关输运性质。通过改变合金的比例可以调控交换劈裂，调节这拓扑节点与费米面的相对位置，并进而调制AMR的大小。这是一个全新的AMR物理机理。理论计算还进一步预测了AMR随磁矩角度、电流角度、组分比例变化，相关计算都得到了实验完美地验证。实验发现，单晶薄膜中纵向与横向电阻率在<100>和<110>方向存在倒易关系。这些研究成果对自旋电子学新奇功能性器件设计具有指导作用。

我系博士生曾凡龙和北京科技大学博士生任增耀为论文共同第一作者，我系吴义政教授和北京师范大学物理学系袁喆教授为论文共同通讯作者。论文的合作者还包括北京科技大学苗君教授，美国奥克兰大学张畏教授和李诣博士，美国伊利诺伊大学Axel Hoffmann教授。研究工作得到了自然科学基金委、科技部重大研究计划和重点研发专项计划、上海市科委和复旦大学等经费的支持。

图1：（a）磁矩沿[010]方向时节线在（010）面形成闭合圆环，受对称性保护，（b）磁矩沿[100]方向时节线圆环形成在（100）面，在[100]方向存在能隙。磁矩沿[010]方向，在[100]方向存在节点，因此电流沿着<100>方向时存在较大的AMR效应。（c）电流沿Co_0.5Fe_0.5 [100]方向时的磁阻随着角度变化的三维实验测量图。

图2：CoFe合金薄膜中电流沿着[100]和[110]方向时电阻随着磁矩方向的变化，以及AMR值随着Co_xFe_1-x合金比例x的变化。