近日，我系应用表面物理全国重点实验室的吴义政教授课题组和理论物理与信息科学交叉中心的袁喆教授课题组合作，在立方晶系铁磁体的磁电阻效应研究中取得重要突破。研究团队首次在单晶Fe(001)薄膜中实验观测到了高达18阶的各向异性磁电阻（AMR）角度依赖，颠覆了立方晶系中仅允许二重和四重对称AMR的传统认知。相关研究成果以《立方铁磁体中的高阶各向异性磁电阻》（“High-Order Anisotropic Magnetoresistance in a Cubic Ferromagnet”）为题于2026年2月24日在线发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 136, 086704 (2026)]，并被选为编辑推荐。

各向异性磁电阻是自旋电子学中最基础的现象之一，指铁磁材料的电阻随磁化方向与电流方向夹角变化而发生改变。在具有高度对称性的立方晶系铁磁体薄膜中，如铁、钴、镍的（001）面，一个长达近一个世纪的普遍观点认为：晶格的四重旋转对称性会将AMR限制在二重和四重对称的角度依赖。这一观点深刻影响了后续的理论与实验发展。更高阶的AMR角度依赖关系从未在实验上系统研究过。

本工作在MgAl2O4（001）衬底外延的高质量单晶Fe薄膜中，利用矢量超导磁体系统，进行了高精度角度依赖的磁输运测量。当温度降至5 K时，发现AMR曲线并非传统的二重和四重叠加，而是呈现出清晰的六重对称振荡[图1(b)]。通过对多周期测量数据进行傅里叶分析，极大地提高了信噪比和频谱分辨率，直接观测到了高达第18阶的谐波分量[图1(c)]，为高阶AMR的存在提供了确凿无疑的证据。

图1：(a) 实验测量示意图。(b) 5.8 nm厚度Fe(001)薄膜在5K下的AMR曲线，表现出显著的六重振荡。(c) 对多圈旋转数据进行傅里叶分析，清晰分辨出高达18阶的谐波分量。

进一步的系统变温和变厚度实验揭示，二重AMR分量在低温、高厚度薄膜中为负，在高温、低厚度薄膜中为正[图2(a)]；六重AMR分量只在低温下出现，低厚度薄膜中为正，高厚度薄膜中为负[图2(b)]。结合第一性原理输运计算，研究团队阐明了高阶AMR的微观起源：二重分量的符号反转源于从低温动量守恒（弱散射）到高温声子辅助散射（强散射）的过渡[图2(c)]；而六重及更高阶分量则源自费米速度和弛豫时间随磁化方向变化的各向异性之间的复杂耦合。与此同时，对称性分析表明，这些高阶项在具有四重旋转对称性的立方（001）体系中实际上是完全对称性允许的。

图2：(a) 二重分量Δρ2随温度与厚度依赖的相图。(b) 六重分量Δρ6的相图。(c) 第一性原理计算得到的Δρ2关于散射截止波矢q的依赖关系。

此项研究不仅首次用实验证实了立方铁磁体中高阶AMR的存在，纠正了领域内的一个长期认知偏差，还成功解答了铁材料的二重AMR分量符号反转这一困扰学界数十年的谜题。研究成果为自旋轨道耦合输运理论提供了关键的高阶基准，同时也为利用角度响应的特性开发新型自旋电子学器件（如高灵敏度角度传感器）发掘了新的可能性。

我系博士生陈浩然和北京师范大学物理学系博士生陈越为论文共同第一作者，我系吴义政教授和理论物理与信息科学交叉中心袁喆教授为论文共同通讯作者。合作者还包括我系金晓峰教授，上海大学物理学系刘翌教授，我系博士后岳迪，我系硕博研究生冯译子、樊圆飞、徐红月、吴同、郭仲勋，北师大物理学系博士生郭儒达。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技重大项目、上海市科技基础研究项目等各类经费的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/n518-jlf6