磁性材料是構成現代工業的重要基礎性材料，在永磁電機、磁制冷、磁傳感、信息存儲、熱電器件等領域扮演著重要角色。在自旋電子學前沿領域，利用磁性材料中的磁矩引入額外對稱性破缺效應是一個研究熱點。

最近，中國科學院半導體研究所半導體超晶格國家重點實驗室的朱禮軍團隊在單晶CoFe (001)薄膜器件中觀測到各向異性的平面能斯特效應（Planar Nernst Effect），其強度隨 (001) 晶面的晶格方向強烈變化并呈現面內雙軸各向異性（見圖1）。

當磁矩在外磁場驅動下在薄膜材料平面內旋轉時，電流產生的溫度梯度導致的平面能斯特電壓表現為一個sin2φ依賴的二次諧波橫向電壓信號（φ為磁矩相對電流的夾角）。這種有趣的各向異性平面能斯特效應被認為主要起源于內稟的能帶交疊效應，可能對諧波霍爾電壓、自旋扭矩鐵磁共振、自旋塞貝克等自旋電子學實驗的分析產生重要影響（見圖2），有望應用于能量收集電池和溫度傳感器等。

然而，這種平面能斯特效應的各項異性并沒有導致任何極化方向的非平衡自旋流（Spin Current）或自旋軌道矩（Spin-Orbit Torque）的產生。

該工作以“Absence of Spin-Orbit Torque and Discovery of Anisotropic Planar Nernst Effect in CoFe Single Crystal”為題發表在期刊Advanced Science上 [鏈接//doi.org/10.1002/advs.202301409]。朱禮軍研究員為通訊作者，博士后劉前標為第一作者，博士生林鑫作為合作者完成了有限元分析并參與了器件的加工測量。

該工作的完成離不開中國科學院半導體研究所趙建華研究員（單晶CoFe樣品生長）、周旭亮副研究員（光刻工藝）、北京師范大學熊昌民副教授（PPMS測試）、袁喆教授（能帶理論討論）的支持和幫助。相關工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委面上項目和中國科學院戰略先導專項的資助。



圖1.（a）雙十字霍爾器件中的平面能斯特效應；（b）CoFe (001)平面能斯特電壓的各向異性。

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圖2.各向異性平面能斯特效應對（a）諧波霍爾電壓、（b）自旋塞貝克、（c）自旋扭矩-鐵磁共振等自旋電子實驗的廣泛影響及其在（d）熱電器件方面的應用案例。

審核編輯：劉清