近期，兰州大学物理学院薛德胜教授课题组和香港科技大学王向荣教授课题组合作在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》上发表了题为“Anisotropic Galvanomagnetic Effects in Single Cubic Crystals: A Theory and Its Verification”的研究论文（论文原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.206701）。论文提出了立方单晶各向异性磁电效应的理论描述及其实验验证。
各向异性磁电阻（AMR）自1856年被发现以来，已被广泛用于磁传感器和磁存储等领域。AMR是指纵向电阻率对磁化方向的依赖，而横向电阻率对磁化方向的依赖，在霍尔几何中被称为反常霍尔效应（AHE）和平面霍尔效应（PHE）。AMR、AHE和PHE这三种磁电效应在磁性多晶和单晶材料中均得到了广泛的研究。对于磁性多晶材料，其纵向和横向电阻率的普适角度依赖关系是众所周知的，但迄今为止尚未发现磁性单晶中纵向和横向电阻率的普适角度依赖关系。因此，进行单晶中磁电效应的深入研究十分重要。这不仅能加深对磁电阻的基本物理原理的理解，还能够开发具有特定属性的磁性和电子特性的新材料。
为解决上述关键科学问题，该研究提出了基于序参量的立方单晶磁电效应理论，其针对立方单晶的纵向和横向电阻率预测了三个磁化强度旋转平面（电流所在的(001)晶面为xy面，垂直于电流方向的平面为yz面，以及包含电流和[001]晶向的平面为zx面）普适的角度依赖关系和相应的特征。通过对Fe30Co70(001)立方单晶薄膜的输运测量，验证了理论提出的普适角度依赖关系。同时，该研究发现只需要8个独立的内禀参数，就可以描述所有在四重对称以下的纵向和横向电阻率曲线，如图1所示。此外，这项研究还预测和验证了立方单晶磁电效应的固有特征，如当磁化强度在上述平面旋转时，电流沿[100]和[110]晶向的横向电阻率曲线是重合的。该工作不仅解决了立方单晶中磁电效应的普遍角度依赖关系，也为磁电效应的基础研究和应用提供了新的途径。
图1. 横向和纵向电阻率关于电流方向和磁化方向的三维坐标图。分别在(a) xy面、(c) yz面、(d) zx面的纵向电阻率和(b) xy面的横向电阻率的实验数据。图中的曲面为用8个参数构建的理论结果。
该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和香港研究资助委员会项目的支持。
