铁磁体是在暴露于外部磁场时会被磁化并保持磁化的材料。在这些材料中，电流通常会感应出所谓的横向霍尔电压(即电子偏转产生的电压)，该电压与其内部磁化强度成正比。

虽然这种被称为霍尔效应的效应在铁磁体中被广泛记录，但预计不会在反铁磁体中自发发生，反铁磁体中的相邻离子表现得像磁铁，以规则的模式排列，相邻的自旋面向相反的方向。然而，最近的理论研究表明，非共面反铁磁有序可能会在材料中诱发大的自发霍尔效应，而无需对其施加外部磁场。

东京大学和RIKEN紧急物质科学中心(CEMS)的研究人员最近进行了实验，以在两种范德瓦尔斯材料CoTa3S6和CoNb3S6上检验这一假设。他们的发现发表在《自然物理学》上，证实了以标量自旋手性为特征的特定非共面反铁磁序可以在这些化合物中引起大的自发拓扑霍尔效应。

“霍尔效应(即电流引起的横向电压的产生)是最基本的电子传输现象之一，它通常与铁磁体中的磁化强度成正比(即异常霍尔效应)，”研究人员之一ShinichiroSeki谁进行了这项研究，告诉Phys.org。“另一方面，最近的理论研究预测，即使没有磁化或外部磁场，非共面自旋排列也会产生巨大的霍尔效应，因为传导电子会感受到与相邻自旋跨越的立体角成比例的虚拟磁场。”

受先前工作的启发，Seki和他的同事着手证明最近的理论预测的自发拓扑霍尔效应会发生在具有特定类型的非共面反铁磁序的材料中。他们特别关注两种具有三角形晶格和小净磁化强度的化合物。

“我们选择了CoTa3S6和CoNb3S6作为目标材料，”Seki说。“为了阐明它们的详细自旋排列，我们进行了中子散射实验。通过分析磁布拉格反射的消光规则和强度，明确地建立了全进全出型自旋排列。”

全进全出型非共面反铁磁自旋排列在CoTa3S6和CoNb3S6中实现。这些化合物拥有两个可能的反铁磁畴，它们通过时间反转操作相互转换。由于它们的特点是拓扑霍尔效应的符号相反，因此反铁磁畴的电读出成为可能。图片来源：高木等人

Seki和他的同事进行的实验最终证实了理论预测，即在不需要外部磁场的情况下，一些反铁磁体中可以发生相当大的自发霍尔效应。进一步的分析表明，这种效应可能源于该团队检查的化合物的标量自旋手性，它会产生一个虚拟的磁场。

“我们的结果表明，即使没有磁化或外部磁场，非共面自旋排列也可以产生巨大的拓扑霍尔效应，”Seki解释说。“这种现象使反铁磁畴的电读出成为可能，这表明非共面反铁磁体可以用作一种新型信息介质。”

总的来说，这项最近的研究结果强调了利用材料的标量自旋手性在非共面反铁磁体中实现巨大的自发霍尔响应的前景。将来，这可能为该领域的进一步研究铺平道路，有可能拓宽当前物理研究和技术开发的视野。

“由于虚拟磁场起着与磁化相似的作用，因此预计非共面反铁磁体将具有与铁磁体相似的功能响应，”Seki补充道。“在这样的系统中，预计虚拟磁场不仅会引起拓扑霍尔效应，还会引起拓扑磁光效应和拓扑能斯特效应等各种奇异现象，其振幅可以与典型的铁磁体相媲美，甚至更大。”后一种现象的实验证明将是我们的下一个目标。”